JP6738859B2

JP6738859B2 - 工作機械、算出方法、および算出プログラム

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Publication number: JP6738859B2
Application number: JP2018114330A
Authority: JP
Inventors: 謙吾河合; 静雄西川
Original assignee: DMG Mori Co Ltd
Current assignee: DMG Mori Co Ltd
Priority date: 2018-06-15
Filing date: 2018-06-15
Publication date: 2020-08-12
Anticipated expiration: 2038-06-15
Also published as: JP2019217560A

Description

本開示は、工具とワークとの接触時間を正確に算出するための技術に関する。

工作機械内の工具の摩耗が進むと様々な問題が生じる。たとえば、所望する加工精度が得られなかったり、工具の破損によって工作機械が故障したりする。これらの問題に対処するために、工具の摩耗の度合いを推定するための技術が開発されている。

工具の摩耗の度合いを推定するための技術に関し、特開２０１７−２４１１２号公報（特許文献１）は、「予め加工負荷等の事前データを用意する必要がなく、工具の状態を簡単に把握できる」工作機械を開示している。当該工作機械は、工具の摩耗が進むと工具に作用する負荷が増大することに着目して、当該負荷の平均値が所定閾値を超えた場合に工具が摩耗していると判断する。

特開２０１７−２４１１２号公報

他の例として、工具の摩耗の度合いは、工具とワークとの接触時間から推定され得る。より具体的には、工作機械は、ワークの加工中において、工具負荷が予め設定された閾値を超えたタイミングを工具がワークに接触した瞬間の第１タイミングとして特定する。次に、工作機械は、ワークの加工中において、予め設定された閾値を下回ったタイミングを工具がワークから離れた瞬間の第２タイミングとして特定する。そして、工作機械は、第１タイミングから第２タイミングまでの間をワークと工具との接触時間として算出する。この接触時間が長くなるほど、工具の摩耗の度合いが進んでいることを示す。

しかしながら、発明者らは、工具がワークから離れる瞬間が上記第２タイミングではないという新たな知見を得た。そのため、上記第２タイミングに基づいて工具とワークとの接触時間が算出されると、誤差が蓄積し、工作機械は、工具の摩耗や寿命を正確に推定することができない。したがって、ワークの加工中における工具とワークとの接触時間をより正確に算出することが望まれている。

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、ワークの加工中における工具とワークとの接触時間をより正確に算出することができる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、ワークの加工中における工具とワークとの接触時間をより正確に算出することができる算出方法を提供することである。他の局面における目的は、ワークの加工中における工具とワークとの接触時間をより正確に算出することができる算出プログラムを提供することである。

本開示の一例では、工作機械は、ワークを加工するための工具と、上記工具または上記ワークを回転するための主軸と、上記工具または上記主軸にかかる負荷を検知するための検知部と、上記工作機械を制御するための制御装置とを備える。上記制御装置は、上記工具が上記ワークと接触してから非接触状態となるまでの間において上記負荷の増加度合いが最大となる第１タイミングを特定し、上記工具が上記ワークと接触してから非接触状態となるまでの間において上記負荷の減少度合いが最大となる第２タイミングを特定し、上記第１タイミングから、上記第２タイミングの所定時間後である第３タイミングまでの期間を、上記工具と上記ワークとの接触時間として算出する。

好ましくは、上記制御装置は、上記工具の半径と、上記工具の移動速度とに基づいて、上記所定時間を算出する。

好ましくは、上記制御装置は、上記工具による上記ワークの切込み幅が上記工具の半径よりも大きい場合、上記工具の半径と、上記工具の移動速度とに基づいて、上記所定時間を算出し、上記切込み幅が上記工具の半径よりも小さい場合、上記工具の半径と、上記工具の移動速度と、上記切込み幅とに基づいて、上記所定時間を算出する。

好ましくは、上記制御装置は、上記接触時間の累積値に基づいて、上記工具の摩耗の度合いを推定する。

好ましくは、上記制御装置は、上記接触時間の累積値に基づいて、上記工具の寿命に達するまでの残りの加工時間を推定する。

好ましくは、上記制御装置は、上記検知部によって順次検出される負荷の移動平均を算出し、順次算出される上記移動平均の単位時間当たりの変化量を算出し、順次算出される上記変化量の移動平均を上記増加度合いおよび上記減少度合いの指標として用いる。

本開示の他の例では、工具とワークとの接触時間を算出する算出方法は、上記工具または上記ワークを回転するための主軸を駆動し、上記工具が上記ワークを加工するステップと、上記工具または上記主軸にかかる負荷を検知するステップと、上記工具が上記ワークと接触してから非接触状態となるまでの間において上記負荷の増加度合いが最大となる第１タイミングを特定するステップと、上記工具が上記ワークと接触してから非接触状態となるまでの間において上記負荷の減少度合いが最大となる第２タイミングを特定するステップと、上記第１タイミングから、上記第２タイミングの所定時間後である第３タイミングまでの期間を、上記工具と上記ワークとの接触時間として算出するステップとを備える。

本開示の他の例では、工具とワークとの接触時間を算出する算出プログラムは、工作機械に、上記工具または上記ワークを回転するための主軸を駆動し、上記工具が上記ワークを加工するステップと、上記工具または上記主軸にかかる負荷を検知するステップと、上記工具が上記ワークと接触してから非接触状態となるまでの間において上記負荷の増加度合いが最大となる第１タイミングを特定するステップと、上記工具が上記ワークと接触してから非接触状態となるまでの間において上記負荷の減少度合いが最大となる第２タイミングを特定するステップと、上記第１タイミングから、上記第２タイミングの所定時間後である第３タイミングまでの期間を、上記工具と上記ワークとの接触時間として算出するステップとを実行させる。

ある局面において、ワークの加工中における工具とワークとの接触時間をより正確に算出することができる。

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。ワークの加工態様の一例を示す図である。図２に示される加工態様をＺ方向から表わす図である。工具がワークに接触してから非接触状態になるまでの加工態様の例を示す図である。図４に示される加工過程における、工具負荷の時間的推移と、工具負荷の変化率の時間的推移とを示す図である。ワークの切込み幅が工具の半径よりも大きい場合における加工態様を示す図である。ワークの切込み幅が工具の半径よりも小さい場合における加工態様を示す図である。実施の形態に従う工作機械の機能構成の一例を示す図である。加工履歴情報のデータ構造の一例を示す図である。工具の加工時間の算出処理を表わすフローチャートである。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。

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の回転と連動して中心軸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。

テーブル５５上のワークＷの設置部分には、動力計１１０が設けられる。動力計１１０は、工具３２がワークＷに及ぼす力を検知することで、主軸２２または工具３２にかかる負荷を間接的に検知する。詳細については後述するが、検知された負荷は、工具３２とワークＷとの接触時間を推定するために用いられる。

＜Ｂ．ワークの加工態様＞
図２および図３を参照して、工具３２によるワークＷの加工態様について説明する。図２は、ワークＷの加工態様の一例を示す図である。図３は、図２に示される加工態様を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を加工する。

図２および図３の例では、工具３２は、予めプログラミングされた加工経路Ｌに沿ってワークＷを繰り返し切削している。設定され得る加工パラメータの一例として、ワークＷの切込み幅がある。ここでいう「切込み幅」は、主軸２２の軸方向において工具３２がワークＷを切込む幅（以下、「切込み幅ａ_ｐ」ともいう。）と、主軸２２の軸方向の直交方向であってワークＷに対する工具３２の移動方向の直交方向において工具３２がワークＷを切込む幅（以下、「切込み幅ａ_ｅ」ともいう。）とを含む概念である。

図２および図３の例では、径方向の切込み幅ａ_ｅと軸方向の切込み幅ａ_ｅとがパラメータとして設定されている。このパラメータに従って加工が開始されると、工具３２は、切込み幅ａ_ｐの１段目の加工部分を切込み幅ａ_ｅごとに順次切削する。次に、工具３２は、切込み幅ａ_ｐの２段目の加工部分を切込み幅ａ_ｅごとに順次切削する。次に、切込み幅ａ_ｐの３段目の加工部分を切込み幅ａ_ｅごとに順次切削する。次に、切込み幅ａ_ｐの４段目の加工部分を切込み幅ａ_ｅごとに順次切削する。このように、工具３２は、予めプログラミングされた加工経路Ｌに沿ってワーク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．工具とワークとの接触時間の算出方法＞
以下では、図４および図５を参照して、工具３２とワークＷとの接触時間の算出処理について説明する。図４は、工具３２がワークＷに接触してから非接触状態になるまでの加工態様の例を示す図である。図５は、図４に示される加工過程における、工具負荷の時間的推移と、工具負荷の変化率の時間的推移とを示す図である。

図５に示される「工具負荷」は、たとえば、ワークＷを除去する際に工具３２の刃面に作用する力で表わされる。「工具負荷の変化率」とは、単位時間当たりにおける、主軸２２または工具３２に作用する力の変化量のことをいう。当該単位時間の長さは任意である（たとえば、１秒）。工具負荷の変化率は、工具負荷の時間微分（すなわち、傾き）に相当する。工具負荷は、たとえば、上述の動力計１１０（図１参照）から取得される。

図４の例では、エンドミルとしての工具３２が紙面左方向から紙面右方向に向かってダウンカットでワークＷを加工する様子が示されている。この加工過程のタイミングＴ１において、工具３２がワークＷに接触したとする。このとき、工具３２によるワークＷの切削量が変化し、工具負荷は急激に増大する（図５参照）。このことに着目して、工作機械１００は、工具３２がワークＷと接触してから非接触状態となるまでの間において工具負荷の増加度合いが最大となるタイミングＴ１（第１タイミング）を、工具３２がワークＷに接触した瞬間とする。

その後、工具負荷は、多少の増減を繰り返しながら安定する。すなわち、工具負荷の変化率が略ゼロになる。

その後、タイミングＴ２において、工具３２がワークＷの端に到達したとする。このとき、工具３２によるワークＷの切削量が変化し、工具負荷は、急激に減少する。その後、工具負荷は、多少の増減を繰り返しながら安定する。すなわち、工具負荷の変化率が略ゼロになる。その後、タイミングＴ３において、工具３２によるワークＷの切削量がゼロになり、工具３２とワークＷとが非接触状態となる。

このように、工具負荷の減少度合いが最大となるタイミングＴ２においては、工具３２は、ワークＷに未だ接触している。そのため、工作機械１００は、タイミングＴ２の所定時間ΔＴ後であるタイミングＴ３を、工具３２がワークＷから離れた瞬間とする。

工作機械１００は、タイミングＴ１からタイミングＴ３までの期間を工具３２とワークＷとの接触時間（以下、「加工時間」ともいう。）とする。工作機械１００は、タイミングＴ１，Ｔ２ではなく、タイミングＴ１，Ｔ３に基づいて加工時間を算出することで、工具３２がワークＷを実際に加工している時間をより正確に算出することができる。

なお、上述では、エンドミルとしての工具３２で切削を行う前提で説明を行ったが、工具３２は、エンドミルに限定されない。工具３２は、平面加工を行うための切削工具であればよく、たとえば、フライスであってもよい。

＜Ｄ．所定時間ΔＴの算出方法＞
図４および図５で説明したように、工作機械１００は、工具負荷の減少度合いが最大となるタイミングＴ２の所定時間ΔＴ後であるタイミングＴ３を、工具３２がワークＷから離れた瞬間とする。以下では、所定時間ΔＴの算出方法について説明する。

上述の通り、タイミングＴ２は、工具３２によるワークＷの切削量が減少し始める瞬間である。このタイミングＴ２から、工具３２がその半径の距離をさらに進むと、工具３２とワークＷとが確実に非接触状態となる。この点に着目して、工作機械１００は、工具３２の半径と、工具３２の移動速度とに基づいて、所定時間ΔＴを算出する。

好ましくは、工作機械１００は、工具３２によるワークＷの切込み幅ａ_ｅが工具３２の半径よりも大きいか否かによって、上記所定時間ΔＴの算出方法を変える。図６は、ワークＷの切込み幅ａ_ｅが工具３２の半径ｒよりも大きい場合における加工態様を示す図である。

図６に示されるように、ワークＷの切込み幅ａ_ｅが工具３２の半径ｒよりも大きい場合、工具３２は、タイミングＴ２から半径ｒの距離を進むと、工具３２とワークＷとが非接触状態となり、ワークＷの切削量がゼロになる。そのため、この場合には、工作機械１００は、工具３２の半径ｒと、工具３２の移動速度ｖとに基づいて、所定時間ΔＴを算出する。より具体的には、工作機械１００は、下記算出式（１）に基づいて、所定時間ΔＴを算出する。

ΔＴ＝ｒ／ｖ・・・（１）
図７は、ワークＷの切込み幅ａ_ｅが工具３２の半径ｒよりも小さい場合における加工態様を示す図である。

図７に示されるように、ワークＷの切込み幅ａ_ｅが工具３２の半径ｒよりも小さい場合、切削量が変化するタイミングＴ２において、工具３２がワークＷの端からある程度突き出ている。そのため、この場合には、工作機械１００は、工具３２の半径ｒと、工具３２の移動速度ｖと、切込み幅ａ_ｅとに基づいて、所定時間Δを算出する。より具体的には、工作機械１００は、下記算出式（２）に基づいて、所定時間ΔＴを算出する。

ΔＴ＝√｛ｒ^２−（ｒ−ａ_ｅ）^２｝／ｖ・・・（２）
以上のように、工作機械１００は、工具３２によるワークＷの切込み幅ａ_ｅが工具３２の半径ｒよりも大きいか否かによって、所定時間ΔＴの算出方法を変える。これにより、工作機械１００は、工具３２の加工時間をより正確に算出することができる。

なお、所定時間ΔＴは、必ずしも上記式（１），（２）に基づいて算出される必要はなく、工具３２の種類ごとに予め決められていてもよい。また、所定時間ΔＴの算出タイミングは、ワークＷの加工中であってもよいし、ワークＷの加工開始前であってもよい。

＜Ｅ．工作機械１００の機能構成＞
図８を参照して、工作機械１００の機能について説明する。図８は、工作機械１００の機能構成の一例を示す図である。

図８に示されるように、工作機械１００は、ハードウェア構成として、制御装置１０１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、負荷取得部１５２と、移動平均部１５４と、変化率算出部１５６と、移動平均部１５８と、加工時間算出部１６０と、摩耗推定部１６２と、寿命推定部１６４とを含む。

負荷取得部１５２は、動力計１１０（図１参照）などの負荷検知部から工具負荷を所定のサンプリンレートで取得する。取得された工具負荷は、時間情報に対応付けられた上で工具負荷ｍ_１（ｔ）として移動平均部１５４に出力される。

なお、工具負荷を検知するための負荷検知部は、動力計１１０に限定されず、種々の検知手段（検出部）が採用される。一例として、主軸２２を駆動するサーボモータへの指令値は、工具負荷に相関する。そのために、工作機械１００は、当該サーボモータへの指令値を工具負荷の指標として用いてもよい。

移動平均部１５４は、時系列の工具負荷ｍ_１（ｔ）の移動平均を算出する。より具体的には、移動平均部１５４は、ある区間における工具負荷ｍ_１（ｔ）の平均値を算出する処理と、当該区間をずらす処理とを繰り返すことで、工具負荷ｍ_１（ｔ）から移動平均ｍ_２（ｔ）を算出する。算出された移動平均ｍ_２（ｔ）は、変化率算出部１５６に順次出力される。

移動平均ｍ_２（ｔ）が算出されることで、断続切削に伴って発生する工具負荷ｍ_１（ｔ）の周期的変化が平滑化される。また、突発的な工具負荷の変化が吸収される。

変化率算出部１５６は、移動平均ｍ_２（ｔ）の単位時間当たりの変化率ｍ_３（ｔ）を算出する。一例として、変化率算出部１５６は、移動平均ｍ_２（ｔ）の時間微分を工具負荷の変化率ｍ_３（ｔ）として算出する。算出された変化率ｍ_３（ｔ）は、移動平均部１５８に順次出力される。

移動平均部１５４は、時系列の変化率ｍ_３（ｔ）の移動平均を算出する。より具体的には、移動平均部１５４は、ある区間における変化率ｍ_３（ｔ）の平均値を算出する処理と、当該区間をずらす処理とを繰り返すことで、変化率ｍ_３（ｔ）から移動平均ｍ_４（ｔ）を算出する。算出された移動平均ｍ_４（ｔ）は、加工時間算出部１６０に出力される。

移動平均ｍ_４（ｔ）が算出されることで、変化率ｍ_３（ｔ）が平滑化される。その結果、移動平均部１５４は、突発的な工具負荷の変化を吸収することができ、工具３２の加工時間を算出する際にノイズの影響を受けにくくなる。

加工時間算出部１６０は、工具３２がワークＷを実際に加工している時間（すなわち、加工時間）を算出する。より具体的には、加工時間算出部１６０は、移動平均ｍ_４（ｔ）の増加度合いが最大となるタイミングＴ１を特定し、当該タイミングＴ１を工具３２がワークＷに接触した瞬間とする。また、加工時間算出部１６０は、移動平均ｍ_４（ｔ）の減少度合いが最大となるタイミングＴ２を特定し、当該タイミングＴ２から所定時間ΔＴ後であるタイミングＴ３を、工具３２がワークＷから離れた瞬間とする。そして、加工時間算出部１６０は、タイミングＴ１からＴ３までの期間を工具３２の加工時間とする。

上述のように、所定時間ΔＴは、工具３２の半径と、工具３２の移動速度とに基づいて算出される。工具３２の半径は、種々の方法で取得される。一例として、工具３２の半径は、工具３２の各種情報を規定している後述の工具情報１２４（図１１参照）から取得される。あるいは、工具３２の半径は、ユーザによって予め設定されてもよい。

また、工具３２の移動速度は、種々の方法で特定される。一例として、工具３２の移動速度は、実行中の加工プログラムを解析することにより特定される。あるいは、工具３２の移動速度は、後述のサーボモータ１１２Ａ〜１１２Ｄ（図１１参照）に出力される指令値から特定される。あるいは、工具３２の移動速度は、後述のエンコーダ１１３Ａ〜１１３Ｄ（図１１参照）から出力されるフィードバック信号に基づいて特定される。

算出された加工時間は、記憶装置１２０に格納されている加工履歴情報１２６に書き込まれる。図９は、加工履歴情報１２６のデータ構造の一例を示す図である。

図９に示されるように、加工履歴情報１２６において、時刻情報と工具３２の加工時間とが対応付けられている。当該時刻情報は、たとえば、工具３２がワークＷに接触した時刻であってもよいし、工具３２がワークＷから離れた時刻であってもよい。また、加工履歴情報１２６において、工具３２の加工時間の累積値が加工総時間として管理される。好ましくは、加工履歴情報１２６は、工具３２ごとに複数準備され、加工総時間は、工具３２ごとに管理される。

摩耗推定部１６２は、加工履歴情報１２６を参照して、摩耗推定対象の工具３２の加工総時間を取得し、当該加工総時間に基づいて、工具３２の摩耗度合いを推定する。典型的には、加工総時間が長くなるほど、工具３２の摩耗度合いは大きくなる。異なる言い方をすれば、加工総時間が短くなるほど、工具３２の摩耗度合いは小さくなる。

一例として、工具３２の摩耗度合いは、加工総時間と摩耗度合いとの予め定められた相関関係に基づいて算出される。ある局面において、当該相関関係は、加工総時間を説明変数とし、工具３２の工具摩耗を目的変数とする相関式で規定される。他の局面において、当該相関関係は、加工総時間ごとに工具３２の工具摩耗を対応付けたテーブル形式で規定される。

寿命推定部１６４は、加工履歴情報１２６を参照して、寿命推定対象の工具３２の加工総時間を取得し、当該加工総時間に基づいて、工具３２が寿命に達するまでの残りの加工時間（以下、「工具寿命」ともいう。）を推定する。ここでいう「工具寿命」とは、工具３２の交換推奨タイミングまたは故障タイミングが到来するまでの期間の長さを意味する。

典型的には、加工総時間が長くなるほど、工具寿命は短くなる。異なる言い方をすれば、加工総時間が短くなるほど、工具寿命は長くなる。

一例として、工具寿命は、加工総時間と工具寿命との予め定められた相関関係に基づいて算出される。ある局面において、当該相関関係は、加工総時間を説明変数とし、工具寿命を目的変数とする相関式で規定される。他の局面において、当該相関関係は、加工総時間ごとに工具寿命を対応付けたテーブル形式で規定される。

＜Ｆ．工作機械１００の制御構造＞
図１０を参照して、工作機械１００の制御構造について説明する。図１０は、工具３２の加工時間の算出処理を表わすフローチャートである。図１０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Ｓ１１０において、制御装置１０１は、加工が開始されたか否かを判断する。一例として、制御装置１０１は、加工プログラムが実行されたことに基づいて、加工が開始されたと判断する。制御装置１０１は、ワークＷの加工が開始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）、制御装置１０１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、制御装置１０１は、上述の負荷取得部１５２（図８参照）として、所定のサンプリングレートで工具負荷を取得する。一例として、工具負荷は、動力計１１０（図１参照）などの負荷検知部から取得される。

ステップＳ１１４において、上述の移動平均部１５４（図８参照）として、ステップＳ１１２で取得した時系列の工具負荷の移動平均を算出する。

ステップＳ１２０において、制御装置１０１は、工具３２がワークＷに接触したか否かを判断する。一例として、制御装置１０１は、ステップＳ１１４で算出した工具負荷の移動平均が所定値を超えたことに基づいて、工具３２がワークＷに接触したと判断する。制御装置１０１は、工具３２がワークＷに接触したと判断した場合（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）、制御装置１０１は、制御をステップＳ１１２に戻す。

ステップＳ１２２において、制御装置１０１は、上述の変化率算出部１５６（図８参照）として、工具負荷の変化率を算出する。一例として、工具負荷の変化率は、ステップＳ１１４で算出された工具負荷の移動平均の時間微分によって算出される。

ステップＳ１２４において、制御装置１０１は、ステップＳ１２２で算出した工具負荷の変化率を現在の時刻情報に関連付けて記憶装置１２０に記憶する。

ステップＳ１３０において、制御装置１０１は、工具３２とワークＷとが確実に非接触状態になったか否かを判断する。一例として、制御装置１０１は、工具負荷の移動平均が所定値を下回ったことに基づいて、工具３２とワークＷとが確実に非接触状態になったと判断する。制御装置１０１は、工具３２とワークＷとが確実に非接触状態になったと判断した場合（ステップＳ１３０においてＹＥＳ）、制御をステップＳ１３２に切り替える。そうでない場合には（ステップＳ１３０においてＮＯ）、制御装置１０１は、制御をステップＳ１２２に戻す。

ステップＳ１３２において、制御装置１０１は、上述の加工時間算出部１６０（図８参照）として、ステップＳ１２４で記憶された時系列の工具負荷の変化率に基づいて、ワークＷと工具３２との接触時間（すなわち、加工時間）を算出する。当該加工時間の算出方法については、図４〜図７で説明した通りであるので、その説明については繰り返さない。

ステップＳ１３４において、制御装置１０１は、ステップＳ１３２で算出した加工時間を上述の加工履歴情報１２６（図９参照）に書き込む。

ステップＳ１４０において、制御装置１０１は、ワークＷの加工が終了したか否かを判断する。制御装置１０１は、ワークＷの加工が終了したと判断した場合（ステップＳ１４０においてＹＥＳ）、図１０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Ｓ１４０においてＮＯ）、制御装置１０１は、制御をステップＳ１１２に戻す。

なお、図１０の例では、ワークＷの加工中において加工時間を算出する例について説明を行ったが、加工時間の算出は、加工の終了後に算出されてもよい。一例として、制御装置１０１は、ステップＳ１２２で算出される工具負荷の変化率を記憶装置１２０に蓄積しておき、加工の終了後の任意の時点で、当該データーベースを参照して、工具３２の加工時間を算出してもよい。

＜Ｇ．工作機械１００のハードウェア構成＞
図１１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１１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、動力計１１０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、工作機械１００の加工プログラム１２２（ＮＣプログラム）など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、工具３２の摩耗の度合いや、工具３２の寿命や、工具３２の摩耗の度合いが限界値を超えた場合の警告などを表示する。

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。

サーボドライバ１１１Ｄがサーボモータ１１２Ｄに出力する制御信号（電流値）は、工具負荷の大きさに相関する。そのため、制御装置１０１は、動力計１１０の出力値の代わりに、サーボドライバ１１１Ｄから出力される制御信号から工具負荷を検知してもよい。典型的には、制御装置１０１は、サーボドライバ１１１Ｄから出力される電流値をサーボモータ１１２Ｄの回転数で除算した結果を工具負荷として算出する。このように、工具負荷を検知するための構成には、動力計１１０やサーボドライバ１１１Ｄなど種々の検知部が採用され得る。

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の半径などを規定した工具情報１２４、および上述の加工履歴情報１２６（図９参照）などを格納する。加工プログラム１２２、工具情報１２４および加工履歴情報１２６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。

＜Ｈ．まとめ＞
以上のように、工作機械１００は、工具３２がワークＷと接触してから非接触状態となるまでの間において、工具負荷の増加度合いが最大となるタイミングＴ１を特定し、当該タイミングＴ１を工具３２がワークＷに接触した瞬間とする。その後、工作機械１００は、工具３２がワークＷと接触してから非接触状態となるまでの間において、工具負荷の減少度合いが最大となるタイミングＴ２を特定し、当該タイミングＴ２の所定時間ΔＴ後であるタイミングＴ３を工具３２がワークＷから離れた瞬間とする。そして、工作機械１００は、タイミングＴ１からタイミングＴ３までの期間を実際の加工時間として算出する。これにより、工作機械１００は、実際の加工時間をより正確に算出することができる。

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、１０２ＲＯＭ、１０３ＲＡＭ、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、１１０動力計、１１１Ａ，１１１Ｂ，１１１Ｃ，１１１Ｄサーボドライバ、１１２Ａ，１１２Ｂ，１１２Ｃ，１１２Ｄサーボモータ、１１３Ａ，１１３Ｂ，１１３Ｃ，１１３Ｄエンコーダ、１２０記憶装置、１２２加工プログラム、１２４工具情報、１２６加工履歴情報、１３０ディスプレイ、１３１入力デバイス、１５２負荷取得部、１５４，１５８移動平均部、１５６変化率算出部、１６０加工時間算出部、１６２摩耗推定部、１６４寿命推定部。

Claims

工作機械であって、
ワークを加工するための工具と、
前記工具または前記ワークを回転するための主軸と、
前記工具または前記主軸にかかる負荷を検知するための検知部と、
前記工作機械を制御するための制御装置とを備え、
前記制御装置は、
前記工具が前記ワークと接触してから非接触状態となるまでの間において前記負荷の増加度合いが最大となる第１タイミングを特定し、
前記工具が前記ワークと接触してから非接触状態となるまでの間において前記負荷の減少度合いが最大となる第２タイミングを特定し、
前記第１タイミングから、前記第２タイミングの所定時間後である第３タイミングまでの期間を、前記工具と前記ワークとの接触時間として算出し、
前記工具の半径と、前記工具の移動速度とに基づいて、前記所定時間を算出する、工作機械。
前記制御装置は、
前記工具による前記ワークの切込み幅が前記工具の半径よりも大きい場合、前記工具の半径と、前記工具の移動速度とに基づいて、前記所定時間を算出し、
前記切込み幅が前記工具の半径よりも小さい場合、前記工具の半径と、前記工具の移動速度と、前記切込み幅とに基づいて、前記所定時間を算出する、請求項１に記載の工作機械。
前記制御装置は、前記接触時間の累積値に基づいて、前記工具の摩耗の度合いを推定する、請求項１または２に記載の工作機械。
前記制御装置は、前記接触時間の累積値に基づいて、前記工具の寿命に達するまでの残りの加工時間を推定する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の工作機械。
前記制御装置は、
前記検知部によって順次検出される負荷の移動平均を算出し、
順次算出される前記移動平均の単位時間当たりの変化量を算出し、
順次算出される前記変化量の移動平均を前記増加度合いおよび前記減少度合いの指標として用いる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の工作機械。
工具とワークとの接触時間を算出する算出方法であって、
前記工具または前記ワークを回転するための主軸を駆動し、前記工具が前記ワークを加工するステップと、
前記工具または前記主軸にかかる負荷を検知するステップと、
前記工具が前記ワークと接触してから非接触状態となるまでの間において前記負荷の増加度合いが最大となる第１タイミングを特定するステップと、
前記工具が前記ワークと接触してから非接触状態となるまでの間において前記負荷の減少度合いが最大となる第２タイミングを特定するステップと、
前記第１タイミングから、前記第２タイミングの所定時間後である第３タイミングまでの期間を、前記工具と前記ワークとの接触時間として算出するステップと、
前記工具の半径と、前記工具の移動速度とに基づいて、前記所定時間を算出するステップとを備える、算出方法。
工具とワークとの接触時間を算出する算出プログラムであって、
前記算出プログラムは、工作機械に、
前記工具または前記ワークを回転するための主軸を駆動し、前記工具が前記ワークを加工するステップと、
前記工具または前記主軸にかかる負荷を検知するステップと、
前記工具が前記ワークと接触してから非接触状態となるまでの間において前記負荷の増加度合いが最大となる第１タイミングを特定するステップと、
前記工具が前記ワークと接触してから非接触状態となるまでの間において前記負荷の減少度合いが最大となる第２タイミングを特定するステップと、
前記第１タイミングから、前記第２タイミングの所定時間後である第３タイミングまでの期間を、前記工具と前記ワークとの接触時間として算出するステップと、
前記工具の半径と、前記工具の移動速度とに基づいて、前記所定時間を算出するステップとを実行させる、算出プログラム。