JPH0295542A - 加工制御システム，加工制御装置および工作物の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 Ｔａｌ産業上の利用分野 この発明は、切削加工状態に応じて適応制御の信頼性を
向上させる切削加工適応制御システムに関する。

（ｂ）従来の技術 従来より切削加工を行う工作機械においては、加工効率
と加工精度の向上および生産コストの低減を目的として
、予め定めた結果が得られるように加工条件を制御する
適応制御システムがある。

従来のシステムでは、切削動力、切削トルク、切削抵抗
などの加工状態を計測し、これらの値が予め定めた拘束
条件に合致するように加工条件を制御している。

（Ｃ１発明が解決しようとする課題 しかしながら従来のシステムでは、加工状態を表す計測
値が単一であり、この単一の計測値が予め定めた拘束条
件に合致するように加工条件を制御するものであるため
、加工現象を正確に把握することができない。このため
条件によっては適応制御の信頼性が低くなるという問題
があった。

この発明の目的は、切削加工の状態を表す複数の加工状
態信号を求めるとともに、これらの状態信号をファジィ
推論により総合的に判定することにより、適応制御の信
頼性を高めた切削加工適応制御システムを提供すること
にある。

（ｄ１課題を解決するための手段 この発明は、設定された加工条件に従って切削加工を行
う工作機械において、 切削加工の状態を表す複数の加工状態信号を求める加工
状態計測手段と、この複数の加工状態信号からファジィ
推論により加工条件の制御指令を決定するファジィ推論
手段を設けたことを特徴としている。

（ｅ）作用 この発明の切削加工適応制御システムでは、先ず切削加
工の状態を表す複数の加工状態信号が求められ、これら
の複数の加工状態信号が変数としてファジィ推論手段に
与えられる。

ファジィ推論手段は公知のようにファジィ演算を行うフ
ァジィ演算部と確定値演算を行うデファジファイ部とで
構成され、ファジィ演算部は予め定められたファジィル
ールに従ったメンバーシップ関数発生器を備え、入力さ
れる変数に対するメンバーシップ値（所属値）を演算す
るとともに、その結果に基づいて演算した推論値をデフ
ァジファイ部に対して出力する。ファジィルールは、１
ｆ（ｘ＋＝八　ａｎｄ　　ｘ、＝Ｂ・・・）　　ｔｈｅ
ｎ（ｙ＝Ｚ）の形式で表され、（ｘ＋・Ａ　ａｎｄ　ｘ
＝＝Ｂ・・・）は前件部、（ｙ＝Ｚ）は後件部と呼ばれ
る。このファジィルールは複数の加工状態信号と実際の
加工状態に基づき経験的に決められる。

第７図は上記のファジィルールに従って推論結果を出力
する一つの公知の手法を説明するための図である。

同図（Ａ）、（Ｂ）は前件部の２つの変数（Ｘ＋＋Ｘ２
）に対応するメンバーシップ関数を示し、同図（Ｃ）は
後件部に対応するメンバーシップ関数を表す。ここでは
前件部のメンバーシップ関数を２つ示しているが前件部
の変数の種類が増えればメンバーシップ関数もその分増
える。各図において横軸は変数の値を表し、縦軸はメン
バーシップ値（所属度）を表す。

今、前件部の第１項目の変数Ｘｉの値がＸ。

であるとすると、そのときの所属度は０．５である（同
図（Ａ）参照）。また、前件部の第２項目の変数ｘ２の
値がｘｉ　　“とすると、そのときの所属度は０．３で
ある（同図（Ｂ）参照）。このような場合、ファジィ演
算部ではそれぞれの所属度の中の最も小さな値をとる。

すなわち上記の例では所属度０．３を選ぶ。次にＺに対
応するメンバーシップ関数を上記の所属度０．３のとこ
ろで頭切りを行い、下側の台形部Ｓの重心位置ｙ°を求
める。そしてこのｙｏを推論結果として出力する１つの
ルールに対しては以上のような推論を行うが一般には複
数のルールを設定する。この場合には各ルール毎に第７
図（Ｃ）に示す推論結果が出力される。そして各ルール
毎に出力された台形部を論理和し、その論理和した部分
（第７図（Ｄ）の斜線領域）の重心ｙ〃を推論の確定値
として出力する。

以上の推論手法において、前件部に対する所属度の論理
積演算（小さい方の所属度を選ぶ演算）ルールと、後件
部に対する台形部の論理和演算ルールを、ｍｉｎｉ−ｗ
ａｘルール この発明においては、上記のような推論手法をファジィ
推論手段で実行することにより切削加工状態の総合的な
判定が可能となり、加工効率，加工精度の向上または生
産コストの低減を図るべき最適な加工条件の制御が可能
となる。

（ｆ）実施例 この発明の実施例である切削加工適応制御システムの構
成を第１図に示す。第１図において図示のとおりＮＣ旋
盤ｌは、主軸２にワーク（被加工物）が取り付けられ、
工具取付台１４にバイト３が取り付けられ、この工具取
付台１４が送り軸モータ５によって一Ｚ軸方向に送るこ
とによって切削加工が行われる。工具取付台１４には切
削加工の状態を表す加工状態信号を求める３つの計測手
段が設けられている。そのうち６は切削抵抗を計測する
切削動力計、７は音響信号を検出するＡＥセンサ、８は
ワーク４の表面粗さを検出する光学。

ファイバプローブである。

切削抵抗信号処理部９は切削動力計６の出力信号を処理
して切削抵抗を表す信号をファジィ推論装置１２へ出力
する。ＡＥ信号処理部１０はＡＥセンサ７の出力信号を
処理してＡＥ倍信号ファジィ推論装置１２へ出力する。

表面粗さ信号処理部１１は光学ファイバプローブ８の出
力信号を処理してワークの表面粗さを表す信号をファジ
ィ推論装置１２へ出力する。ファジィ推論装置１２はこ
の３つの信号を変数としてファジィ推論を行い、ＮＣ制
御装置１３へ工具の送り速度のオーバーライド量を表す
信号を出力する。ＮＣ制御装置１３は予め工具の送り速
度を設定することができ、これを基準にしてファジィ推
論装置１２から出力される送り速度のオーバーライド量
に応じて送り軸モータ５の回転速度を制御する。

第２図は上記切削加工適応制御システムの制御部の詳細
図である。第２図において切削動力計６は圧電型の歪検
出器であり、切削時の切削抵抗により生じる工具取付台
１４の歪を検出する。切削動力計６の出力はチャージア
ンプ１５で増幅され、ローパスフィルタ１６で切削抵抗
の動的成分および高周波ノイズがカントされ、切削抵抗
の定常信号ｖ１が出力される。ＡＥセンサ７の出力信号
は、例えば３００Ｋｌｌｚを中心とする所定周波数帯域
を通過させるバンドパスフィルタ１７でフィルタリング
され、アンプ１８により増幅され、さらに検波回路１９
により検波される。これによりＡＥ倍信号強度を表す信
号■２が出力される。光学ファイバプローブ８は複数の
光ファイバからなり、一部を投光用、その他を受光用と
したものである。フォトニックセンサ２０には白色光源
が設けられていて、投光用ファイバを通してワーク表面
に白色光が照射され、その反射光が受光用ファイバを通
してフォトニックセンサ２０内のフォトトランジスタで
検出される。その出力はローパスフィルタ２１によ動的
成分および高周波ノイズがカットされて、ワークの表面
粗さを表す信号■３が出力される。

ファジィ推論装置は、上記３つの信号■１〜■３を変数
としてファジィ推論を行い、オーバーライド量Ｏを出力
するファジィ推論１２ａと、上記３つの信号■１〜■３
のレベルが予め定めた範囲にあるときオーバーライド量
を強制的にＯとする論理回路１２ｂから構成されている
。

論理回路１２ｂの構成および動作は次のとおりである。

先ず送り速度のオーバーライド量を強制的に０にする条
件は、切削抵抗が予め定めた基準値未満で且つＡＥセン
サの出力が予め定めた基準値未満であるときと、切削抵
抗が予め定めた基準値より高く、ＡＥ比出力基準値より
高（しかもワークの表面粗さが基準値より粗い場合であ
る。前者は工具先端が欠損した場合、後者は工具先端が
破損する直前の状態である。これらの条件のとき論理回
路１２ｂ内に示す信号Ｓを“°Ｌ°°レベルとすること
によって、ファジィ推論部１２ａの出力が無効となり、
ＮＣ制御装置１３がこの信号Ｓに従って送り速度を０と
する。

具体的には、コンパレータ２２は信号■１の電圧を基準
電圧ＶＺＲ１と比較し、■１がＶＺＲ１を下回ったとき
その出力を°°Ｈ”レベルとする。

一方コンパレータ２３は信号ｖ２の電圧と基準電圧ＶＺ
Ｒ２との比較を行い、■２がＶＺＲ２を下回ったときそ
の出力を“°Ｈパレベルとする。両者が°“Ｈｏ“レベ
ルとなったときＡＮＤゲート２４の出力が“ｌ　Ｈｌ″
レベルなり、ＮＯＲゲート２５の出力Ｓが“Ｌ“レベル
となる。コンパレータ２６は信号ｖ１の電圧が基準電圧
ＶＰＬ　１を上回ったときその出力を“Ｌ“°レベルと
し、インバータ２８の出力ヲ“°Ｈ”レベルとし、コン
パレータ２７は信号ｖ２の電圧が基準電圧ＶＰＬ２を上
回ったときその出力を°“Ｌ”レベルとしてインバータ
２９の出力を“°Ｈ”レベルとする。さらにコンパレー
タ３１は信号ｖ３の電圧が基準電圧ＶＰＳ３を下回った
ときその出力を“Ｈｕレベルとする。この３つの条件が
満足するとき、ＡＮＤゲート３０の出力が“Ｈｌ＋レベ
ルとなり、ＮＯＲゲート２５の出力Ｓが“Ｌ”レベルと
なる。

このように異常状態であるときはファジィ推論を行わず
に強制的に送りを停止させる。

さて、ファジィ推論部１２ａの構成および動作は次のと
おりである。

本実施例において切削抵抗信号出力ｖ１、ＡＥ信号出力
■２および反射光出力Ｖ３を変数とじた場合の送り速度
オーバーライド量０を表現するための推論ルールは次の
ようになる。

−推論ルール− （１）もし切削抵抗信号出力ｖ１が小さくて、ＡＥ信号
出力Ｖ２が殆どＯで、反射光出力ｖ３が小さければ、送
り速度オーバーライド量Ｏを少し小さくする。

（２）もし切削抵抗信号出力Ｖ１が小さくてＡＥ信号出
力ｖ２が殆ど０で、反射光出力ｖ３が普通であれば、送
り速度オーバーライド量０を０とする以上のルールを含
めてルール全体をマトリックスにして表現すると第３図
に示すようになる。

第３図において、切削抵抗信号出力Ｖｌについて、各記
号は ＺＲ：切削抵抗が殆どＯ ＰＳ：切削抵抗が小さい ＰＭ：切削抵抗が普通 ＰＬ：切削抵抗が大きい を意味している。

ＡＥ信号出力ｖ２について、各記号は ＺＲ：　ＡＥ比出力殆どＯ ＰＭ：　ＡＥ比出力ある程度大きい ＰＬ：ＡＥ比出力大きい を意味している。

反射光出力Ｖ３について、各記号は ＰＳ：反射光出力が小さい ＰＭ二二対射光出力普通 ＰＬ：反射光出力が大きい を意味している。

さらにマトリックスの内容であるオーバーライド量Ｏに
ついて、各記号は ＮＬ：（オーバーライド量が０％） ＮＭニオ−パーライト量を小さくする ＮＳニオ−パーライト量を少し小さくするＺＲＳニオパ
ーライト量を殆ど変えないＰＳニオ−パーライト量を少
し大きくするを意味している。

なお上記の曖昧な言語値を表現するＮＬ、ＮＭＮＳ、Ｚ
Ｒ，ＰＳ、ＰＭ、ＰＬはラベルと呼ばれる。

曖昧な言語値、即ち上記のラベルＮＬ−ＰＬを表現する
メンバーシップ関数は第４図（Ａ）〜（Ｄ）に示すもの
を使用する。

同図（Ａ）は切削抵抗信号出力ｖ１に対するメンバーシ
ップ関数、同図（Ｂ）はＡＥ信号出力■２のメンバーシ
ップ関数、同図（Ｃ）は反射光信号出力ｖ３に対するメ
ンバーシップ関数である。

また、同図（Ｄ）は送り速度オーバーライド量に対する
メンバーシップ関数である。なお、ここではラベルＮＬ
に幅をもたせていないので、第３図中のラベルＮＬは空
白と同じ意味である。

第５図はファジィ推論部１２ａの構成図である前述した
ようにファジィ推論部１２ａはファジィ演算部４０とデ
ファジファイ部４１とで構成される。ファジィ演算部は
第３図に示した各推論ルールに従ってルール毎の推論結
果ｘｉを出力するために、前件部における所属度を演算
するためのメンバーシップ関数発生器と後件部での推論
結果を出力するためのメンバーシップ関数発生器を備え
ている。各ファジィ演算部はルール毎に設けられるため
に、合計３２個設けられ、各ファジィ演算部の推論結果
Ｘｉは並列にデファジファイ部４１に出力される。

前記ファジィ演算部は第６図（Ａ）に示すような構成に
ある。なお同図は第５図の最上部に示したファジィ演算
部の構成を示している。

図示のとおり４個の汎用メンバーシップ関数発生器５０
〜５３を有し、各メンバーシップ関数発生器には切削抵
抗信号ｖ１に対応するラベルＺＲ１ＡＥ信号ｖ２に対応
するラベルＰＭ、反射光信号ｖ３に対応するラベルＰＳ
、および送り速度オーバーライドｌｏに対応するラベル
ＮＭが入力される。汎用のメンバーシップ関数発生器は
このラベルが入力されることによって、そのラベルに対
応したメンバーシップ関数を発生する。例えば第６図（
Ａ）に示すファジィ演算部４０では、メンバーシップ関
数発生器５０内で第４図（Ａ）の−番左側に示されるメ
ンバーシップ関数が発生し、メンバーシップ関数発生器
５１内では第４図（Ｂ）の中央にＰＭで示すメンバーシ
ップ関数が発生する。また、メンバーシップ関数発生器
５２では第４図（Ｃ）の左側にＰＳで示すメンバーシッ
プ関数が発生する。さらにメンバーシップ関数発生器５
３では第４図（Ｄ）にＮＭで示すメンバーシップ関数が
発生する。

メンバーシップ関数発生器５０．５１．５２の出力、即
ち前件部の各項の所属度は前件部論理積回路５４に出力
され、ここで前述のｍ１ｎｉ−ａ＋ａｘルールのｍ１ｎ
ｔルールによってより小さい方の所属度が選択される。

その結果が後件部論理積回路５５に送られる。この後件
部論理積回路５５では、メンバーシップ関数発生器５３
で出力されるメンバーシップ関数に前件部論理積回路５
４からの推論結果を当てはめて第７図（Ｃ）に示したよ
うな頭切りを行い（論理積をとり）台形部を推論結果と
して出力する。

デファジファイ部４１は第６図（Ｂ）に示す構成からな
る。図示するようにデファジファイ部蜘４１は論理和回
路６０と確定値演算回路６１とで構成される。論理和回
路６０はｍｉｎｔ−ｗａｘルールのｌａＸルールを演算
する部分であり、３２個の各ファジィ演算部からの台形
出力（推論結果）を論理和し、第７図（Ｄ）にハツチン
グで示したような領域を形成する。確定値演算回路６１
はこの領域から重心位置を求め、送り速度のオーバーラ
イド量の確定値を出力する。

次に上記装置の具体的な動作について説明する切削抵抗
信号ｖ１、ＡＥ信号ｖ２および反射光信号ｖ３のそれぞ
れが例えば第４図（Ａ）〜（Ｃ）に矢印で示す値であれ
ば、各ラベルに対応するメンバーシップ関数の所属度の
組み合わせとファジィ演算出力は次のとおりである。

Ｖｌ　：ＰＳ＝０．５５ ＶＩＰＭ＝０．４ Ｖ３：ＰＭ＝０．４ この組み合わせでは前件部論理積回路はｍ１ｎｉ−ｎ＋
ａＸルールのｍ１ｎｉルールに従い最も小さな値０．　
４をとり、後件部論理積回路では後件部に対応するラベ
ル（この場合ＺＲ）（第３図参照）のメンバーシップ関
数を０．４で頭切りする。

Ｖｌ：ＰＳ＝０．５５ Ｖ２　：　ＰＭ＝０．４ Ｖ３：ＰＬ＝０．２ この組み合わせでは前件部論理積回路が最も小さな値で
ある０、２を出力し、後件部論理積回路が後件部に対応
するラベル（この場合ＰＳ）のメンバーシップ関数を０
．２で頭切りする。

ｖｔ：ｐｓ＝ｏ、５５ ｖ２：ｐｔ、＝ｏ、Ｉ Ｖ３　：　ＰＭ＝０．４ この組み合わせでは前件部論理積回路が０．１を出力し
、後件部論理積回路が後件部に対応するラベル（この場
合ＺＲ）のメンバーシップ関数を０．１で頭切りする。

ｖｉ：ｐｓ−ｏ、５５ Ｖ２：ＰＬ＝０．１ Ｖ３：ＰＬ＝０．２ この組み合わせの場合、前件部論理積回路がＯｌを出力
し、後件部論理積回路が対応するラベル、（この場合Ｐ
Ｓ）を０．１で頭切りする。

Ｖｌ　：　ＰＭ＝０．２ ＶＩＰＭ＝０．４ Ｖ３：ＰＭ＝０．４ この組み合わせでは前件部論理積回路が０．２を出力し
、後件部論理積回路が対応するラベル、（この場合ＺＲ
）を０．２で頭切りする。

Ｖ　１　：　ＰＭ＝０．　２ Ｖ２　：　ＰＭ＝０．４ ｖ３：ｐｔ、＝ｏ、２ この組み合わせでは前件部論理積回路が０．　２を出力
し、後件部論理積回路が対応するラベル、（ＺＲ）を０
．２で頭切りする。

Ｖｌ　：ＰＭ＊０．２ Ｖ２：ＰＬ＝０．１ Ｖ３　：　ＰＭ＝０．４ この組み合わせでは前件部論理積回路が０．　１を出力
し、後件部論理積回路が対応するラベル、（ＮＳ）を０
．１で頭切りする。

Ｖｌ　：　ＰＭ＝０．２ Ｖ２：ＰＬ＝０．１ Ｖ３：ＰＬ＝０．２ この組み合わせでは前件部論理積回路が０．１を出力し
、後件部論理積回路が対応するラベル、（ＮＳ）を０．
１で頭切りする。

その結果第４図（Ｄ）に示すようにラベルＮ５ＺＲ，Ｐ
Ｓに対応するメンバーシップ関数が頭切りされ、台形部
（ハンチング部分）が推論結果として出力される。デフ
ァジファイ部４１の論理和回路６０ではこの複数の台形
部を論理和する。

すなわち、ここでｍ１ｎｉ−＃ａχルールのｍａχルー
ルを実行する。そして次に重あわせた台形部の重心を求
めるべき演算を確定値演算回路６１で行い、第４図（Ｄ
）に矢印で示す重心位置Ｏｔを送り速度のオーバーライ
ド量として出力する。

なお、上記実施例では切削加工の状態を表す加工状態信
号として切削抵抗、ＡＥ、表面粗さを求め、この３つの
信号によってファジィ推論を行う例であったが、加工状
態信号はこの他に主軸、送り軸モータの負荷電流、電力
、トルク、工作機械の振動、切削音あるいは工具刃先、
ワーク切削面の温度を計測してファジィ推論の変数とし
て用いることも可能である。

（幻発明の効果 以上のようにこの発明によれば、切削加工の状態を表す
複数の加工状態信号に基づきファジィ推論により加工条
件の制御指令を決定するようにしたため、切削加工状態
の総合的な監視を行うことができ、加工効率と加工精度
を共に向上させ、生産コストを低減することが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例である切削加工適応制御シス
テムの概略構成図、第２図はその制御部の詳細図である
。第３図は実施例において設定さァジイ推論部の構成図
、第６図（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれファジィ演算部、デ
ファジファイ部の構成図である。また、第７図（Ａ）〜
（Ｄ）はファジィ推論ルールに従って推論結果を出力す
る手法を説明するための図である。 １１１図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）設定された加工条件に従って切削加工を行う工作
   機械において、 切削加工の状態を表す複数の加工状態信号を求める加工
   状態計測手段と、この複数の加工状態信号からファジィ
   推論により加工条件の制御指令を決定するファジィ推論
   手段を設けたことを特徴とする切削加工適応制御システ
   ム。