JPWO2016067384A1 - 工作機械の制御方法および工作機械の制御装置 - Google Patents

Abstract

主軸モータ（９）により回転する工具（６）とテーブルに固定されたワーク（１５）とを相対移動させながらワーク（１５）を加工する工作機械（１）の制御方法であって、主軸モータ（９）のトルク指令値、電流指令値、または実際の電流値に基づいて、ワーク（１５）の加工中に工具（６）の予め定められたい位置のワーク（１５）から受ける実際の切削力を算出し、算出した実際の切削力を表示部（２８）に表示する。

Description

本発明は、工作機械の制御方法および工作機械の制御装置に関する。

従来の技術では、ワークに対して工具を相対移動させて切削等の加工を行う工作機械が知られている。また、このような工作機械において工具の経路を所定の送り軸の座標等により指定し、ワークに対して工具を移動させながら加工を行う数値制御式の工作機械が知られている。工作機械は、制御装置の指令に従ってワークおよび工具のうち少なくとも一方が移動することにより、ワークに対する工具の相対位置を変更しながら自動的に加工することができる。

工作機械にてワークを加工する期間中には、ワークの一部を除去するためにワークに対して工具が相対移動する。また、エンドミルのような工具は軸線の周りに回転しながら加工を行う。ワークの加工中には、工具に対して力が加わる。たとえば、工具にはワークに対して工具が進行する方向と反対向きに力が加わる。また、回転する工具には、工具が回転する方向と反対向きに力が加わる。ワークの加工中に工具に過大な力が加わると、工具が破損したり主軸装置が故障したりする虞がある。たとえば、工具が折れたり工具の刃が欠けたりする虞がある。

特開２００５−２０５５１７号公報においては、ワークの切削中における主軸負荷が目標負荷範囲内にあるか否かを監視する工作機械の切削制御方法が開示されている。この切削制御方法では、主軸負荷が目標負荷範囲を超えたときに、主軸の回転速度と切削送り速度の各速度設定値に対する各オーバーライド値を下げて、主軸の回転速度と切削送り速度とを制御することが開示されている。

特開２００５−２０５５１７号公報

ワークを加工している期間中に主軸の回転トルクを監視することにより、工具や主軸装置が損傷する可能性を低減することができる。上記の特開平２００５−２０５５１７号公報における切削制御装置では、主軸モータの電流値を用いて回転トルクを演算し、回転トルクが目標範囲を超えているか否かを監視している。すなわち、主軸モータが出力する回転トルクを工具に加わる力として判定している。ところが、工具は、様々な工具径を有する。主軸モータが出力する回転トルクが所定の値であっても、工具径に依存して、工具がワークから受ける切削力は変化する。例えば、回転トルクが一定でも、工具径が大きくなれば、工具とワークとの接触部分において工具が受ける力は小さくなる。

工具にはワークを加工する部分に加えることが許される力として、工具の許容切削力が存在する。ところが、作業者は、主軸モータが出力する回転トルクと許容切削力とを関連付けることが難しいという問題がある。従来の技術では、作業者が回転トルクを用いて手計算にて実際の切削力を計算し、工具の健全性を確認する方法が採用されていた。

また、工具の健全性を確認する方法としては、所望の加工と同一の試験加工を予め行って、工具等に損傷が生じないか否かを確認する方法が有る。工具等に損傷が生じない場合には、試験加工を行ったときの回転トルクを許容トルクとして採用することができる。そして、実際の加工期間中には、回転トルクが許容トルクを超えないように監視することができる。ところが、この方法では所望の加工と同一の加工を予め実施する必要があり、生産性が低くなるという問題があった。

本発明は、工具や主軸装置の健全性を簡単に精度よく監視する工作機械の制御方法および工作機械の制御装置を提供することを目的とする。

本発明の工作機械の制御方法は、主軸モータにより回転する工具とテーブルに固定されたワークとを相対移動させながらワークを加工する工作機械の制御方法である。制御方法は、主軸モータのトルク指令値、電流指令値、または実際の電流値に基づいて、ワークの加工中に工具の予め設定された位置のワークから受ける実際の切削力を算出し、算出した実際の切削力を表示部に表示する。

上記発明においては、工具の予め設定された位置に加えることが許される許容切削力に基づいて判定値が予め設定されており、実際の切削力が判定値を超えた場合に、ワークに対する工具の相対速度を低下させることができる。

上記発明においては、複数の工具について、主軸からの工具の突出し長さおよび工具径を関数にした許容切削力が予め定められており、加工に使用する工具の突出し長さおよび工具径に基づいて工具の損傷に関する工具の許容切削力を算出することができる。

上記発明においては、工具の損傷に関する工具の許容切削力、主軸装置の軸受の損傷に関する軸受の許容切削力、および主軸モータの損傷に関する主軸モータの許容切削力を算出し、工具の許容切削力、軸受の許容切削力、および主軸モータの許容切削力のうち、最も小さな許容切削力に基づいて判定値を設定することができる。

本発明の工作機械の制御装置は、主軸モータにより回転する工具とテーブルに固定されたワークとを相対移動させながらワークを加工する工作機械の制御装置である。制御装置は、主軸モータのトルク指令値、電流指令値、または実際の電流値に基づいて、ワークの加工中に工具の予め設定された位置のワークから受ける実際の切削力を算出する切削力演算部と、算出した実際の切削力を表示する表示部とを備える。

本発明によれば、工具や主軸装置の健全性を簡単に精度よく監視する工作機械の制御方法および工作機械の制御装置を提供することができる。

工作機械のブロック図である。 工作機械の主軸ヘッドとワークとの部分の拡大概略断面図である。 切削力を説明する工具およびワークの概略図である。 工作機械の操作盤の概略正面図である。 実施の形態における工具情報画面である。 工具の許容切削力を算出するためのデータテーブルの説明図である。 データテーブルの内挿を説明する図である。 実施の形態における工作機械の第１制御のフローチャートである。 実施の形態における工作機械の第２制御のフローチャートである。 実施の形態における監視情報画面である。

図１から図１０を参照して、実施の形態における工作機械の制御方法および工作機械の制御装置について説明する。本実施の形態の工作機械は、加工プログラムに基づいて自動的にワークに対して工具を相対的に移動させて加工を行う数値制御式である。

図１に、本実施の形態における工作機械のブロック図を示す。工作機械１は、各送り軸の移動装置の制御を行う制御装置７０を備える。制御装置７０は、例えば、バスを介して互いに接続されたＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、およびＲＯＭ（Read Only Memory）等を備えている。

制御装置７０は、入力部７１、読取解釈部７２、補間演算部７３、およびサーボ制御部７４を含む。数値制御式の工作機械にて加工する場合には、加工プログラム７６を予め準備する。加工プログラム７６は、ワークの目標形状に基づいてＣＡＭ（Computer Aided Manufacturing）装置等にて作成することができる。ワークの目標形状は、例えば、ＣＡＤ（Computer Aided Design）装置にて作成することができる。

入力部７１には、加工プログラム７６が入力される。加工プログラム７６には、ワークに対する工具の相対移動の情報、主軸の回転速度の情報、および工具の情報が含まれている。なお、制御装置７０の情報制御部２０において作業者が新規に作成したり編集したりした加工プログラムが入力部７１に入力されても構わない。

読取解釈部７２は、入力部７１から加工プログラム７６を読み込む。読取解釈部７２は、移動指令を補間演算部７３に送出する。補間演算部７３は、補間周期毎の各送り軸の位置指令値を演算する。例えば、補間演算部７３は、移動指令に基づいて設定された時間間隔ごとの各送り軸の移動量を算出する。補間演算部７３は、各送り軸の位置指令値をサーボ制御部７４に送出する。サーボ制御部７４は、位置指令値に基づいてＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸等の各送り軸の各軸サーボモータ７５を駆動する。サーボ制御部７４は、また、工具６を回転させる主軸モータ９を駆動する。サーボ制御部７４は、加工プログラム７６にて指定される主軸モータ９の回転速度を、読取解釈部７２から補間演算部７３を素通りして取得する。サーボ制御部７４は、主軸モータ９のトルク指令を算出し、電流指令値に変換して主軸モータ９に送出する。

本実施の形態の制御装置７０は、ワークの加工に関連する加工情報を制御する情報制御部２０と、作業者が加工情報の入力値等を入力する操作部３０と、加工情報を表示する表示部２８とを含む。加工情報としては、プログラムに関する情報、工具に関する情報、座標に関する情報、および加工中の工作機械やワークに関する情報を例示することができる。情報制御部２０は、今回の加工を行うための加工プログラム７６を入力部７１から取得する。情報制御部２０は、加工情報の演算や処理を行う演算処理部２５を含む。例えば、演算処理部２５は、入力部７１から入力された加工プログラム７６を編集して今回の加工の加工プログラムを作成し、入力部７１に送出することができる。更に、演算処理部２５は、作業者により入力された加工情報に基づいて所定の判断や所定の計算を行うことができる。

操作部３０は、キーボード等を有し、作業者の手動操作により加工情報を入力する手入力部２９を含む。本実施の形態の操作部３０は、表示部２８を含む。本実施の形態では、表示部２８は、画面を接触することにより所望の部分の選択が可能なタッチパネル方式が採用されている。作業者が表示部２８の画面を操作することにより、加工情報を入力することができる。操作部３０としては、この形態に限られず、作業者が加工情報を入力可能な任意の装置を採用することができる。

制御装置７０は、加工情報を記憶する記憶部２６を含む。記憶部２６は、前述のＲＯＭやＲＡＭの他に、通信インターフェイスを介して接続されたメモリーカードやハードディスクなどの記憶装置であっても構わない。

情報制御部２０は、表示部２８に表示する画像を制御する表示制御部２２を含む。表示制御部２２は、演算処理部２５から加工情報を取得したり、演算処理部２５に加工情報を提供したりする。また、表示制御部２２は、加工情報に基づいて画像を作成し、この画像を表示部２８に表示する機能を有する。

制御装置７０は、工作機械１の運転状態を検出する運転状態センサ３７を含む。情報制御部２０は、運転状態センサ３７の信号を取得することができる。運転状態センサ３７としては、それぞれの送り軸の移動量を検出するセンサ、各軸サーボモータ７５や主軸モータ９に取り付けられた回転速度を検出する回転速度センサ、および主軸モータ９に実際に流れる電流値を検出する電流センサ等を例示することができる。送り軸の移動量を検出するセンサと回転速度センサの出力は、サーボ制御部７４にフィードバックされる。主軸モータ９の回転速度を検出する回転速度センサの出力は、情報制御部２０にも送出される。また、電流センサの出力は、情報制御部２０に送出される。

図２は、本実施の形態における主軸装置の概略断面図である。ワーク１５は、工作機械１のテーブルに固定されている。主軸装置２は、工具６を支持する主軸４と、主軸４が内部に配置されているハウジング３とを含む。工具６は、工具ホルダ５を介して主軸４に支持されている。

主軸装置２は、工具６を回転させる主軸モータ９を含む。本実施の形態の主軸モータ９は、ハウジング３の内部に配置されているビルトインタイプの回転機である。ハウジング３の内面には、ステータ９ｂが配置されている。主軸４の外面にはロータ９ａが配置されている。ステータ９ｂおよびロータ９ａにより主軸モータ９が構成されている。主軸４は、円筒状に形成されている。主軸４の内部には、工具６を取り換えるための装置が内蔵されている。本実施の形態の主軸モータ９は、ビルトインタイプであるが、この形態に限られず、主軸モータは、主軸４を回転させることができれば、任意の機構を採用することができる。例えば、ハウジングの外側に主軸モータが配置されていても構わない。

本実施の形態においては、主軸４の回転軸線が延びる方向のうち、工具６が固定されている側を前側と称し、工具６が固定されている側と反対側を後側と称する。主軸４の前側の端部は、一方の軸受としてのフロントベアリング７に支持されている。また、主軸４の後側の端部は、他方の軸受としてのリアベアリング８に支持されている。軸受としてのフロントベアリング７およびリアベアリング８は、ハウジング３に支持されている。主軸４は、フロントベアリング７およびリアベアリング８により回転可能に支持されている。

図３に、ワークを加工しているときのワークおよび工具の先端部の拡大概略図を示す。本実施の形態においては、工具６として５枚刃のフラットエンドミルを例に取りあげて説明する。工具６としては、フラットエンドミルに限られず、任意の工具を採用することができる。たとえば、主軸モータ９によって回転しながらワークを加工する工具を採用することができる。

図１を参照して、制御装置７０は、主軸モータ９の負荷に関する変数および主軸４の回転速度に基づいて、加工時の実際の切削力を算出する。また、制御装置７０は、記憶部２６に予め記憶された機械パラメータに基づいて許容切削力を算出し、算出した許容切削力に基づいて切削力の判定値を設定する。そして、制御装置７０は、実際の切削力を判定値と比較することにより、工具６および主軸装置２の健全性を判別する。

図２および図３を参照して、工具６に加わる実際の切削力について説明する。図３に示す例では、ワーク１５の表面の一部を工具６にて切削加工している。工具６は、主軸モータ９により矢印９１に示す向きに回転している。そして、矢印９２に示すように、ワーク１５に対して工具６を相対的に移動している。この例では、ワーク１５を停止させて工具６を水平方向に移動させている。

切削力は、切削加工において工具６に加わる力である。切削力は、工具６とワーク１５とが接触している領域にて生じる力であり、切削抵抗とも称される。一般的にフライス加工の場合の切削力は、工具６の外周の回転方向と反対向きの接線方向に作用する力と、工具６の送り方向と反対向きに作用する送り分力と、工具６の軸線方向の切込みと反対向きに作用する背分力とがある。これらの分力のうち主分力が一番大きく、その他の２つの分力は小さいために主分力を切削力とみなして差支えない。したがって、本実施の形態では、以下の説明において主分力を切削力と称する。

図３では、工具６の５つの刃６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅのうち、３つの刃６ａ，６ｂ，６ｃがワーク１５を切削している状態を示している。この場合には、刃６ａ，６ｂ，６ｃのそれぞれには、矢印９３ａ，９３ｂ，９３ｃに示す接線方向に切削力が作用する。工具６は矢印９２の方向に送られているので、工具６の中心ＴＣが通る工具経路ＴＰに近く、半径方向の切込み量が大きな刃６ｂの切削力（矢印９３ｂ）が大きくなる。この次に、工具経路ＴＰからやや離れた矢印９３ａの刃６ａの切削力（矢印９３ａ）が大きくなり、工具経路ＴＰから工具半径の距離で離れた刃６ｃの切削力（矢印９３ｃ）は小さくなる。この結果、工具中心ＴＣから半径方向に作用する切削力（矢印９５）は、実際に切削に寄与する３つの刃６ａ，６ｂ，６ｃのそれぞれの切削力（矢印９３ａ，９３ｂ，９３ｃ）の合力になる。図３では、３つの刃が切削に寄与しているが、所定の瞬間には２つの刃のみが切削に寄与する場合もある。その時の矢印９５に示す切削力は、これらの２つの刃の切削力の合力である。

矢印９５に示す切削力は、Ｘ方向の成分（矢印９５ｘ）およびＹ方向の成分（矢印９５ｙ）の合力である。矢印９５に示す切削力のＸ成分（矢印９５ｘ）は、矢印９３ａの切削力のＸ成分（矢印９３ａｘ）と、矢印９３ｂの切削力のＸ成分（矢印９３ｂｘ）と、矢印９３ｃの切削力のＸ成分（図３では零）との合計である。矢印９５に示す切削力のＹ成分（矢印９５ｙ）は、矢印９３ａの切削力のＹ成分（矢印９３ａｙ）と、矢印９３ｂの切削力のＹ成分（矢印９３ｂｙ）と、矢印９３ｃの切削力のＹ成分（図３では矢印９３ｃ）との合計である。本実施の形態では、工具６の予め定め設定された位置のワーク１５から受ける実際の切削力は、工具６の先端の中心ＴＰから半径方向に作用する矢印９５に示す切削力としている。工具６の予め設定された位置としては、工具６の先端の中心ＴＰに限られず、任意の位置に設定することができる。たとえば、ボールエンドミルの場合には、工具の先端の球状部の中心を予め設定された位置にすることができる。また、エンドミルの側面のみでワークの縁を加工する場合には、工具とワークとが接触している軸線方向の区間の中点を予め設定された位置に決めることができる。

次に、実際の切削力を判定する切削力の判定値について説明する。図２を参照して、工具６に過大な切削力が加わったときに、工具６が破損する場合がある。例えば、切削力が大きくなると工具６が折れたり工具６の刃が欠けたりする場合がある。このために、本実施の形態では、工具の損傷に関する工具の許容切削力を考慮する。

また、過大な切削力に起因する主軸装置２の故障としては、主軸４を支持する軸受の破損を例示することができる。例えば、切削力が大きくなると、フロントベアリング７またはリアベアリング８が、機械的または熱的に損傷する場合がある。そこで、本実施の形態では、軸受の損傷に関する軸受の許容切削力を考慮する。

さらに、主軸装置２の故障としては、主軸モータ９の破損を例示することができる。例えば、切削力が大きくなると、主軸モータ９に大きな電流が流れて、主軸モータ９が焼き付く場合がある。そこで、本実施の形態では、主軸モータの損傷に関する主軸モータの許容切削力を考慮する。

一般的には、工具の許容切削力よりも軸受の許容切削力の方が大きくなる。また、軸受の許容切削力よりも主軸モータの許容切削力の方が大きくなる。ところが、これらの許容切削力の大きさの順序が逆転する場合がある。たとえば、工具６の工具径が非常に大きい場合には、工具の許容切削力が軸受の許容切削力よりも大きくなる場合がある。または、軸受の機械強度が非常に大きい場合には、軸受の許容切削力が主軸モータの許容切削力よりも大きくなる場合がある。

本実施の形態の制御装置７０は、工具の許容切削力、軸受の許容切削力および主軸モータの許容切削力を算出して比較する。そして、制御装置７０は、一番小さな許容切削力を切削力の判定値に設定している。すなわち、制御装置７０は、３つの許容切削力を比較して、最も小さな許容切削力を実際の切削力の判定値として設定している。そして、制御装置７０は、実際の切削力を判定値と比較する。

図１を参照して、演算処理部２５は、切削力演算部３９を含む。切削力演算部３９は、加工プログラム７６に記載されている工具の種類および工具径を取得する。または、切削力演算部３９は、記憶部２６に記憶されている工具の種類および工具径を取得する。切削力演算部３９は、サーボ制御部７４または運転状態センサ３７から主軸モータ９の負荷に関する変数を取得する。本実施の形態では、負荷に関する変数として、主軸モータ９を駆動するための電流指令値を取得する。

切削力演算部３９が取得する負荷に関する変数としては、電流指令値の他に、主軸モータ９に対するトルク指令値や主軸モータ９に流れる実際の電流値等を採用することができる。切削力演算部３９は、運転状態センサ３７から主軸モータ９の回転速度、すなわち主軸４の回転速度を取得する。そして、切削力演算部３９は、工具に加わる実際の切削力を算出する。表示制御部２２は、算出した実際の切削力を表示部２８に表示する。

演算処理部２５は、切削力制御部３８を含む。切削力制御部３８は、工具の種類、工具長および工具径を取得する。また、記憶部２６には、許容切削力を算出するための情報が記憶されている。切削力制御部３８は、許容切削力を算出し、切削力の判定値を設定する。表示制御部２２は、設定した切削力の判定値を表示部２８に表示する。本実施の形態の切削力制御部３８は、軸受の許容切削力および工具の許容切削力を算出する。主軸モータの許容切削力は、予め記憶部２６に記憶されている。切削力制御部３８は、３つの許容切削力を比較して、最も小さな許容切削力に基づいて判定値を設定する。

更に、切削力制御部３８は、実際の切削力を切削力の判定値と比較する。そして、切削力制御部３８は、実際の切削力が判定値を超えている場合には、主軸の送り速度を低下させる。すなわち、切削力制御部３８は、ワーク１５に対する工具６の相対速度を低下させる。相対速度の低下には、ワーク１５に対する工具６の相対速度を零にする場合が含まれる。切削力制御部３８は、送り速度のオーバーライド値を低減して、読取解釈部７２に送出する。表示制御部２２は、相対移動を継続しながら送り速度を低下させたワーニングを表示部２８に表示する。または、切削力制御部３８は、ワーク１５に対する工具６の相対速度を零にする指令を読取解釈部７２に送出する。表示制御部２２は、送り速度を零にしたアラームを表示部２８に表示する。

図４に、工作機械の制御装置に配置されている操作盤の正面図を示す。図１および図４を参照して、制御装置７０の操作部３０は、操作盤３１を含む。操作盤３１は、キー入力部３２を含む。キー入力部３２には、複数のキースイッチが配置されている。キー入力部３２のキースイッチを押すことにより、所定の数字や文字を入力することができる。また、操作盤３１は、所定の操作の選択を行う操作スイッチ部３４およびオーバーライド値の設定を行うオーバーライド設定部３３を含む。オーバーライド設定部３３は、例えば、主軸の回転速度のオーバーライド値や加工の送り速度のオーバーライド値等を手動で設定することができる。キー入力部３２、操作スイッチ部３４およびオーバーライド設定部３３等は、手入力部２９として機能する。その他に操作盤３１は、工作機械１の異常時に即時に工作機械１を停止させる非常停止ボタン３６や工作機械１の駆動を開始するための実行ボタン３５等のボタンを含む。また、操作盤３１には、表示パネルにて構成されている表示部２８を含む。

図５に、操作盤３１の表示部２８に表示される工具情報画面を示す。工具情報画面５６は、工具に関する情報を入力、表示および編集するための画面である。画面の左側には、表示する情報を切り替える選択部５１ａ〜５１ｆが配置されている。図５の例では、作業者が工具情報の選択部５１ｂを押すことにより、工具情報画面５６が表示されている。

作業者は、選択部５１ａ〜５１ｄを押すことにより、実際の加工の際に頻繁に使う主画面を表示することができる。プログラム編集の選択部５１ａを押すことにより、プログラム編集画面を表示することができる。プログラム編集画面は、加工プログラムを表示および編集するための画面である。座標情報の選択部５１ｃを押すことにより、座標情報画面を表示することができる。座標情報画面は、座標情報を入力、表示および編集するための画面である。プログラム実行情報の選択部５１ｄを押すことにより、実行情報画面を表示することができる。実行情報画面は、加工プログラムを実行している期間中に工作機械の状態や加工状態を表示する画面である。加工結果の選択部５１ｅを押すことにより、加工結果画面を表示することができる。加工結果画面は、加工後にワークの検査を行ったり、ワークの検査結果を表示したりする画面である。監視情報画面の選択部５１ｆを押すことにより、監視情報画面を表示することができる。監視情報画面は、ワークを加工している期間中に切削力等の加工の状態を監視する画面である。

それぞれの主画面の下部には、ボタン領域５４が配置されている。ボタン領域５４には、予め定められた操作を行うためのボタンが配置されている。

工具情報画面５６には、加工に使用する工具を表示する画面を選択する選択部５６ａと、記憶部２６に記憶されている全ての工具の情報を表示および編集する画面を選択する選択部５６ｂとを有する。ここでは、工具データの選択部５６ｂが選択されている。それぞれの工具の情報は、表形式で表示されている。工具番号は、それぞれの工具を特定するための番号である。ポット番号の欄には、工具マガジンのツールポットの番号が示されている。

工具情報画面５６では、それぞれの工具に対して複数の情報が表示可能に形成されている。スクロールバー５６ｄを動かすことにより、画面に表示されていない工具の情報を表示することができる。また、スクロールバー５６ｃを動かすことにより、それぞれの工具についての様々な情報を表示することができる。表示欄５７ａには、工具の種類が表示されている。表示欄５７ｂには、それぞれの工具の工具長が表示されている。表示欄５７ｃには、それぞれの工具の工具径が表示される。表示欄５７ｄには、工具種類、工具長および工具径に基づいて算出された工具の許容切削力が表示される。それぞれの表示欄５７ａ，５７ｂ，５７ｃ，５７ｄは、作業者が所望の情報を入力したり編集したりすることができる。または、演算処理部２５は、工具の種類、工具長および工具径を加工プログラムから読み込むことができる。

次に、切削力の判定値を設定するための許容切削力の算出方法について説明する。許容切削力は、工具の種類、工具長および工具径に基づいて算出することができる。図２を参照して、工具径ＴＤは、工具６の直径であり、工具長ＴＬは、主軸４の前側の端面から工具６の先端までの長さである。換言すると、工具長ＴＬは、主軸４からの工具６の突出し長さである。

始めに軸受の許容切削力の算出方法について説明する。図２を参照して、主軸４は、フロントベアリング７とリアベアリング８とに支持されている。切削力制御部３８は、それぞれの軸受の耐荷重に基づいて、矢印９５に示すように工具６の先端に加えることができる荷重、すなわち、径方向の許容切削力を算出する。

距離Ｌ_１は、主軸４の軸方向において、主軸４の前側の端面とフロントベアリング７の位置との間の長さである。複数個のフロントベアリング７が軸方向に配置されている場合には、複数個のフロントベアリング７が配置されている領域のうち、軸方向の中点の位置をフロントベアリング７の位置に選定する。距離Ｌ_２は、主軸４の軸方向において、フロントベアリング７とリアベアリング８との間の長さである。複数個のリアベアリング８が配置されている場合には、複数個のリアベアリング８が配置されている領域のうち、軸方向の中点の位置をリアベアリング８の位置に選定する。そして、これらの距離Ｌ_１，Ｌ_２を用いて許容切削力を算出する。

ここで、フロントベアリング７が破損する場合を検討する。工具６の先端に大きな切削力が加わると、リアベアリング８の位置が支点となってフロントベアリング７に荷重が加わり、フロントベアリング７が破損することが考えられる。フロントベアリング７の耐荷重Ｆ_Fは予め定められている。フロントベアリング７に関する許容切削力Ｆ_F-Limitは、フロントベアリング７の耐荷重Ｆ_Fを用いて次の式（１）で表すことができる。

次に、リアベアリング８が破損する場合を検討する。工具６の先端に大きな切削力が加わると、フロントベアリング７の位置が支点となってリアベアリング８に荷重が加わり、リアベアリング８が破損することが考えられる。リアベアリング８の耐荷重Ｆ_Rは予め定められている。リアベアリング８に関する許容切削力Ｆ_R-Limitは、リアベアリング８の耐荷重Ｆ_Rを用いて次の式（２）で表すことができる。

工具６に大きな切削力が加わった場合に、上記の式（１）および式（２）のうち、小さな許容切削力になる軸受が先に破損する。このため、許容切削力Ｆ_F-Limitおよび許容切削力Ｆ_R-Limitのうち、小さい方の値を軸受の許容切削力として選定する。

このように、軸受の許容切削力は、工具長ＴＬに基づいて算出することができる。軸受の許容切削力は、上記の計算方法に限られず、任意の方法にて軸受が破損する虞を回避できる許容切削力を算出することができる。

工具の損傷に関する工具の許容切削力については、矢印９５に示す様に、工具６の先端に径方向の切削力が加わったときに工具が破損する場合を検討する。工具の許容切削力は、工具径および工具長に依存する。工具６の工具径ＴＤが大きいほど破損しにくくなり、工具の許容切削力も大きくなる。また、工具６の工具長ＴＬが大きいほど破損しやすくなり、工具の許容切削力が小さくなる。本実施の形態では、工具を円柱状の棒と仮定し、この円柱状の棒のせん断限界に基づいて工具の許容切削力を算出している。

図６に、工具長および工具径に基づく工具の許容切削力のデータテーブルの説明図を示す。本実施の形態では、工具長および工具径を関数にするデータテーブルに基づいて工具の許容切削力を算出する。このようなデータテーブルは、工具の種類ごとに予め記憶部２６に記憶されている。なお、工具の許容切削力のデータテーブルは、工具の種類に加えて、工具の材質ごとに予め記憶部２６に記憶されていても構わない。

切削力制御部３８は、使用する工具６の工具長および工具径に基づいて、工具の許容切削力を算出する。図６に示す例では、工具長ＴＬについて、工具長ＴＬ₁から工具長ＴＬ₆まで設定されている。また工具径ＴＤについて、工具径Ｄ₁から工具径Ｄ₄まで設定されている。それぞれの工具長および工具径について、工具の許容切削力Ｆ_mnが設定されている。例えば、工具長ＴＬ₁および工具径Ｄ₁の工具は許容切削力Ｆ₁₁になる。このデータテーブルに基づいて、使用される工具径Ｄ_Xおよび工具長ＴＬ_Yの工具の許容切削力Ｆ_XYを内挿により算出する。

図７に、工具の許容切削力を算出する時の内挿を説明する図を示す。この例では、工具長ＴＬ₁，ＴＬ₂および工具径Ｄ₁，Ｄ₂のそれぞれの許容切削力Ｆ₁₁，Ｆ₁₂，Ｆ₂₁，Ｆ₂₂を用いて、許容切削力Ｆ_XYを算出する。それぞれの内分比ａ，ｂ，ｃ，ｄは、次の式（３）から式（６）に示すようになる。

そして、工具長ＴＬ_Yおよび工具径Ｄ_Xの許容切削力Ｆ_XYは、次の式（７）に示すように内分点の公式により算出することができる。

このように、本実施の形態においては、工具長および工具径を関数にした複数の工具の許容切削力がデータテーブルとして予め定められている。そして、加工に使用する工具の工具長および工具径に基づいて工具の許容切削力を算出している。この方法により、容易に工具の許容切削力を算出することができる。

図１および図５を参照して、本実施の形態では、工具情報画面５６を表示することにより工具の許容切削力が自動的に算出される。切削力制御部３８は、工具長、工具径、および工具種類を加工プログラム７６から読み込むことができる。または、作業者が操作部３０を操作して、予め情報制御部２０に入力し、記憶部２６に記憶させておくことができる。この場合には、切削力制御部３８は、記憶部２６から工具長、工具径、および工具種類を取得する。次に、切削力制御部３８は、工具の許容切削力を算出する。表示制御部２２は、表示欄５７ｄに算出した工具の許容切削力を表示する。

作業者が表示欄５７ｄに手入力にて工具の許容切削力を入力した場合には、表示欄５７ｅに作業者が入力したことを示すマークが表示される。たとえば、工具番号が４番のフラットエンドミルは、作業者により工具の許容切削力が入力されて、表示欄５７ｅにマークが表示されている。

図８に、工具に加わる実際の切削力を判定する判定値を設定する制御のフローチャートを示す。この制御は、工具を変更するごとに実施することができる。または、主軸の回転速度が変化するごとに実施することができる。本実施の形態では、この制御は、演算処理部２５の切削力制御部３８において実施する。

ステップ１１１においては、工具径が設定されているか否かを判別する。工具径が設定されていない場合には、ステップ１１２に移行する。工具径が設定されていない場合には、工具の許容切削力を算出することは不可能である。また、後述の式（９）の主軸モータの負荷率の判定値の算出が不可能になる。そこで、許容切削力としては、主軸モータの許容切削力を設定する。ステップ１１２においては、主軸モータの許容切削力を記憶部２６から読み込む。そして、ステップ１１３においては、主軸モータの許容切削力を判定値に設定する。

ステップ１１１において、工具径が設定されている場合には、ステップ１１４に移動する。ステップ１１４において、工具長が設定されているか否かを判別する。ステップ１１４において、工具長が設定されていない場合には、ステップ１１８に移行する。この場合には、工具の許容切削力を算出せずに、軸受の許容切削力を算出する。例えば、工具長を零にして軸受の許容切削力を算出することができる。このために、ステップ１１５からステップ１１７における工具の許容切削力の計算を行わずにステップ１１８に移行する。

ステップ１１４において、工具長が設定されている場合には、ステップ１１５に移行する。ステップ１１５においては、工具種類が設定されているか否かを判別する。ステップ１１５において、工具種類が設定されていない場合には、ステップ１１６に移行する。本実施の形態においては、工具種類が設定されていない場合には、工具種類をフラットエンドミルに設定する。すなわち、工具をフラットエンドミルと仮定して許容切削力を算出する。

ステップ１１５において、工具種類が設定されている場合には、ステップ１１７に移行する。ステップ１１７においては、上記の式（３）から式（７）を用いて、工具の許容切削力を算出する。ステップ１１８においては、上記の式（１）および式（２）を用いて軸受の許容切削力を算出する。ステップ１１９においては、主軸モータの許容切削力を記憶部２６から読み込む。

ステップ１２０において、許容切削力に基づいて実際の切削力の判定を行う判定値を設定する。それぞれの許容切削力の単位は、力の単位である。工具の許容切削力、軸受の許容切削力、および主軸モータの許容切削力のうち、最も小さな許容切削力を切削力の判定値に設定する。

本実施の形態においては、工具の損傷に関する工具の許容切削力、主軸装置の軸受の損傷に関する軸受の許容切削力、および主軸モータの損傷に関する主軸モータの許容切削力を算出する。そして、これらの許容切削力のうち、最も小さな許容切削力に基づいて判定値を設定する。この制御を実施することにより、安全側に切削力の判定値を設定して、工具や主軸装置の監視を行うことができる。なお、本実施の形態では、最も小さい許容切削力を判定値に設定したが、この形態に限られず、判定値は、許容切削力に基づいて設定することができる。例えば、選定した許容切削力に予め定められた余裕を減算して判定値を定めても構わない。

次に、設定した判定値に基づいて、加工期間中に実際の切削力の監視を行う制御について説明する。図１を参照して、実際の切削力の算出は、切削力演算部３９にて行うことができる。また、実際の切削力の判定は切削力制御部３８にて行うことができる。

図９に、ワークを加工している期間中に行う制御のフローチャートを示す。図９に示す制御は、例えば、予め定められた時間間隔ごとに行うことができる。ステップ１３１においては、設定した切削力の判定値を読み込む。

次に、工具に加わる実際の切削力を算出する。ステップ１３２においては、運転状態センサ３７から主軸４の回転速度を取得する。ステップ１３３においては、運転状態センサ３７から主軸モータの負荷率を取得する。主軸モータの負荷率は、主軸モータの最大出力に対する主軸モータの加工中の出力の比である。本実施の形態では、主軸モータの出力として電流値を検出している。すなわち、主軸モータの負荷率として、主軸モータの定格電流に対する加工中の電流値の比を算出している。

次に、ステップ１３４において、実際の切削力を算出する。切削力演算部３９は、次の式（８）に基づいて実際の切削力を算出する。

実際の切削力Ｆは、主軸の回転速度および工具半径に依存している。本実施の形態では、主軸の回転速度が変化したり、工具が交換されたりしても、実際の切削力を算出することができる。次に、ステップ１３５においては、実際の切削力および判定値を表示部２８に表示する。

図１０に、ワークを加工している期間中の監視情報画面を示す。選択部５１ｆが押されて監視情報画面が表示されている。更に、ボタン領域５４のボタン５４ａを押して表示される選択メニューから切削力が選定されている。切削力に関する監視情報画面６１は、表示領域６１ａ，６１ｂ，６１ｃ，６１ｄを有する。

表示領域６１ａには、ワークの加工時の主軸装置の情報およびワークに対する工具の移動に関する情報が表示されている。表示領域６１ｂには、主軸モータの負荷率が表示されている。さらに、主軸モータの負荷率の現在までの最大値、最小値および平均値が表示されている。そして、表示領域６１ｃには、現在の切削力（実際の切削力）および切削力の判定値が表示されている。また、表示領域６１ｃには、実際の切削力が判定値を超えた時の運転モードが表示されている。

本実施の形態の制御装置７０は、実際の切削力が判定値を超えた時に、相対移動を継続しながら送り速度を低減する制御を実施することができる。または、制御装置７０は、実際の切削力が判定値を超えた時に、送り速度を零にする制御を実施することができる。ボタン５４ｂを押すことにより、送り速度を零にする制御、すなわち加工を停止するＳＬ運転モードを選択することができる。ボタン５４ｃを押すことにより、ワークに対する工具の相対移動を継続しながら送り速度を低減するＡＣ運転モードを選択することができる。図１０に示す例では、ＡＣ運転モードが選定されている。表示領域６１ｃには、ＡＣ運転モードが選択されていることが表示されている。

表示領域６１ｄには、主軸モータの負荷率のグラフ６２ａと、切削力のグラフ６２ｂが表示されている。それぞれのグラフの横軸は時間である。主軸モータの負荷率のグラフの縦軸の単位は「％」である。切削力のグラフの縦軸の単位は「Ｎ」である。それぞれのグラフには、ＳＬ運転モードの判定値と、ＡＣ運転モードの判定値が表示されている。本実施の形態では、選定した許容切削力をＳＬ運転モードの判定値としている。ＡＣ運転モードの判定値は、ＳＬ運転モードの判定値に予め定められた比率を乗じて算出することができる。それぞれの運転モードの判定値は、この形態に限られず、許容切削力に基づいて任意に設定することができる。

それぞれのグラフ６２ａ，６２ｂには、判定値の線が表示されている。そして、実際の加工期間中に検出された主軸モータの負荷率と切削力とが棒グラフにて示されている。このように、本実施の形態では、ワークの加工中に工具がワークから受ける切削力を算出し、算出した切削力を表示部に表示することができる。このために、作業者は、時間とともに変化する実際の切削力を確認することができる。作業者は、工具に加わる実際の切削力を把握することができて、工具や主軸装置の健全性を簡単に精度よく監視することができる。

図９を参照して、次に、ステップ１３６において、切削力制御部３８が実際の切削力と判定値とを比較する。本実施の形態では、実際の切削力を切削力の判定値と比較するために、切削力の判定値を主軸モータの負荷率に対応する変数に換算している。そして、換算した判定値を主軸モータの負荷率と比較している。切削力の判定値を主軸モータの負荷率に対応する判定値に換算するためには、次の式（９）を用いる。

ここで、主軸最大出力Ｐmaxは、主軸の回転速度に依存する主軸モータの最大出力である。主軸最大出力Ｐmaxは、予め記憶部に記憶されている。このようにして算出された主軸モータの負荷率の判定値ＳＬ_limと、実際の主軸モータの負荷率とを比較する。主軸モータの負荷率が、主軸モータの負荷率の判定値ＳＬ_limを超えていれば、実際の切削力が切削力の判定値を超えていると判別することができる。なお、切削力換算係数δは、実験により予め求めておくことができる。

本実施の形態においては、切削力の判定値を主軸モータの負荷率と同じ単位に変換して切削力の比較を行っているが、この形態に限られず、切削力の単位にて判定値と実際の切削力とを比較しても構わない。なお、図８のステップ１２０における判定値の設定においても、複数の許容切削力を主軸モータの負荷率と同じ単位に換算して、複数の許容切削力の比較を行っても構わない。この場合に、主軸モータの許容切削力は、主軸モータの負荷率と同じ単位に換算した値を記憶部に記憶させておくことができる。

ステップ１３６において、実際の切削力が切削力の判定値以下の場合には、工具および主軸装置に過大な力が加わっていないと判別することができる。工具および主軸装置の健全性が保たれていると判別することができる。この場合には、この制御を終了することができる。

ステップ１３６において、実際の切削力が切削力の判定値よりも大きい場合には、ステップ１３７に移行する。ステップ１３７においては、ワークに対する工具の相対移動を継続しながら送り速度を低減させる制御が選択されているか否かを判別する。すなわち、前述のＡＣ運転モードが選択されているか否かを判別する。ステップ１３７において、送り速度を低減させる制御が選択されている場合には、ステップ１３８に移行する。

ステップ１３８においては、ワークに対する工具の相対移動を継続しながら送り速度を低減する。切削力制御部３８は、送り速度のオーバーライド値を小さくする制御を行う。オーバーライド値の低減幅は予め定めておくことができる。または、実際の切削力と判定値との差が大きいほど、オーバーライド値の低減幅を大きくする制御を行うことができる。

次に、ステップ１３９においては、実際の切削力が判定値を超えて送り速度を低減したことを通知するワーニングの画像を表示部２８に表示する。たとえば、表示部２８において主画面に重ねて主画面よりも小さな補助画面を表示して、補助画面にワーニングの画像を表示する。

ステップ１３７において、送り速度を低減させる制御が選択されていない場合には、ステップ１４０に移行する。この場合には、ワークに対する工具の相対速度を零にする制御が選定されている。すなわち前述のＳＬ運転モードが選択されている。ステップ１４０においては、ワークの加工を停止する。切削力制御部３８は、送り速度を零にする指令を読取解釈部７２に送出する。そして、ワークに対する工具の送り速度を零にする。

次に、ステップ１４１においては、実際の切削力が判定値を超えて加工を停止したことを通知するアラームの画像を表示部２８に表示する。たとえば、表示部２８において主画面に重ねて主画面よりも小さな補助画面を表示して、補助画面にアラームの画像を表示する。

作業者は、ワーニングの画像やアラームの画像を見ることにより、実際の切削力が所定の判定値を超えて、送り速度が低減されたり、加工が停止されたりしたことを把握することができる。実際の切削力が判定値を超えた場合に、ワークに対する工具の相対速度を低下させる方法を採用することにより、主軸装置や工具の破損を抑制することができる。なお、送り速度の低減の制御が実施された場合に、予め定められた時間よりも長い間、実際の切削力が判定値を超えない場合には、送り速度を増大する制御を実施しても構わない。例えば、送り速度を減速前の元の速度まで戻す制御を実施しても構わない。

このように主軸モータのトルク指令値、電流指令値、または実際の電流値に基づいて刻々の実際の切削力を演算して表示するので、工作機械の取扱説明書に「ｋｇｆ」または「Ｎ」（ニュートン）の単位で記載されている許容切削力と使用工具との関連性が作業者にとって分かり易くなる。また、工具で加工する場合に、工具に加えることができる切削力の大きさの判断が容易に、ほぼ正確に行えるようになる。さらに、判定値を自動的に設定できるために、作業者の負担が軽減される。

上述のそれぞれの制御においては、機能および作用が変更されない範囲において適宜ステップの順序を変更することができる。上記の実施の形態は、適宜組み合わせることができる。

上述のそれぞれの図において、同一または相等する部分には同一の符号を付している。なお、上記の実施の形態は例示であり発明を限定するものではない。また、実施の形態においては、請求の範囲に示される形態の変更が含まれている。

１ 工作機械
４ 主軸
６ 工具
７ フロントベアリング
８ リアベアリング
９ 主軸モータ
１５ ワーク
２５ 演算処理部
２８ 表示部
３０ 操作部
３７ 運転状態センサ
３８ 切削力制御部
３９ 切削力演算部
３１ 操作盤
５６ 工具情報画面
６１ 監視情報画面
６２ｂ グラフ
７０ 制御装置

Claims (5)

1. 主軸モータにより回転する工具とテーブルに固定されたワークとを相対移動させながら前記ワークを加工する工作機械の制御方法であって、
   主軸モータのトルク指令値、電流指令値、または実際の電流値に基づいて、前記ワークの加工中に工具の予め設定された位置の前記ワークから受ける実際の切削力を算出し、算出した前記実際の切削力を表示部に表示することを特徴とした、工作機械の制御方法。
2. 工具の予め設定された前記位置に加えることが許される許容切削力に基づいて判定値が予め設定されており、
   前記実際の切削力が判定値を超えた場合に、前記ワークに対する工具の相対速度を低下させる、請求項１に記載の工作機械の制御方法。
3. 複数の工具について、主軸からの工具の突出し長さおよび工具径を関数にした許容切削力が予め定められており、
   加工に使用する工具の突出し長さおよび工具径に基づいて工具の損傷に関する工具の許容切削力を算出する、請求項２に記載の工作機械の制御方法。
4. 工具の損傷に関する工具の許容切削力、主軸装置の軸受の損傷に関する軸受の許容切削力、および主軸モータの損傷に関する主軸モータの許容切削力を算出し、
   工具の許容切削力、軸受の許容切削力、および主軸モータの許容切削力のうち、最も小さな許容切削力に基づいて前記判定値を設定する、請求項２に記載の工作機械の制御方法。
5. 主軸モータにより回転する工具とテーブルに固定されたワークとを相対移動させながら前記ワークを加工する工作機械の制御装置であって、
   主軸モータのトルク指令値、電流指令値、または実際の電流値に基づいて、前記ワークの加工中に工具の予め設定された位置の前記ワークから受ける実際の切削力を算出する切削力演算部と、
   算出した前記実際の切削力を表示する表示部とを備えることを特徴とした、工作機械の制御装置。

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