WO2018003813A1 - 工作機械、加工物の製造方法、及び加工システム - Google Patents

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WO2018003813A1
WO2018003813A1 PCT/JP2017/023619 JP2017023619W WO2018003813A1 WO 2018003813 A1 WO2018003813 A1 WO 2018003813A1 JP 2017023619 W JP2017023619 W JP 2017023619W WO 2018003813 A1 WO2018003813 A1 WO 2018003813A1
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WO
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data
workpiece
tool
machining
state
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PCT/JP2017/023619
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板東　賢一
モハマド ムンジル
中山　彰
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コマツＮｔｃ株式会社
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Publication date
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Priority to US16/304,404 priority patent/US11458584B2/en
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q15/00—Automatic control or regulation of feed movement, cutting velocity or position of tool or work
    • B23Q15/007—Automatic control or regulation of feed movement, cutting velocity or position of tool or work while the tool acts upon the workpiece
    • B23Q15/12—Adaptive control, i.e. adjusting itself to have a performance which is optimum according to a preassigned criterion
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B49/00—Measuring or gauging equipment for controlling the feed movement of the grinding tool or work; Arrangements of indicating or measuring equipment, e.g. for indicating the start of the grinding operation
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/18—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form
    • G05B19/404—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by control arrangements for compensation, e.g. for backlash, overshoot, tool offset, tool wear, temperature, machine construction errors, load, inertia
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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    • G05B19/02—Programme-control systems electric
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    • G05B19/406—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by monitoring or safety
    • G05B19/4069—Simulating machining process on screen
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/49—Nc machine tool, till multiple
    • G05B2219/49303—Tool identification and tool offset, compensation data together

Definitions

  • the present invention relates to a machine tool, a manufacturing method of a workpiece, and a processing system.
  • a grinding device is known as a machine tool for processing a workpiece (see Patent Document 1).
  • An object of the present invention is to provide a machine tool, a workpiece manufacturing method, and a machining system capable of inspecting machining quality in real time during machining and suppressing production of a workpiece with poor machining quality.
  • the tool that processes the workpiece in contact with the workpiece, the state quantity data acquisition unit that receives the workpiece and the state quantity data of the tool, and the dynamic characteristics of the tool.
  • a state quantity estimation data calculating unit that calculates state quantity estimation data from a simulation model including a device dynamic characteristic model and a work model indicating a target shape of the workpiece, and the state quantity data and the state quantity estimation data based on
  • a machine tool including a machining state calculation unit that calculates machining state data indicating a machining state of a workpiece is provided.
  • a workpiece and a tool are brought into contact with each other, the workpiece is machined with the tool, state quantity data of the workpiece and the tool is acquired in the machining, and the tool Calculating state quantity estimation data from a simulation model including an apparatus dynamic characteristic model indicating a dynamic characteristic of the workpiece and a work model indicating a target shape of the workpiece, and the work based on the state quantity data and the state quantity estimation data Calculating machining state data indicating the machining state of the tool, outputting the machining state data in the machining, and controlling machining conditions by the tool based on the machining state data in the machining.
  • a method of manufacturing a workpiece is provided.
  • the tool that processes the workpiece in contact with the workpiece, the state quantity data acquisition unit that receives the workpiece and the state quantity data of the tool, and the dynamic characteristics of the tool.
  • a state quantity estimation data calculating unit that calculates state quantity estimation data from a simulation model including a device dynamic characteristic model and a work model indicating a target shape of the workpiece, and the state quantity data and the state quantity estimation data based on A machining system is provided that includes a machining state calculation unit that calculates machining state data indicating a machining state of a workpiece.
  • a machine tool capable of inspecting machining quality in real time during machining and suppressing production of a workpiece with poor machining quality.
  • FIG. 1 is a plan view schematically showing an example of a machine tool according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a side view schematically showing an example of the machine tool according to the present embodiment.
  • FIG. 3 is a functional block diagram illustrating an example of a control device according to the present embodiment.
  • FIG. 4 is a schematic diagram for explaining the behavior of the workpiece according to the present embodiment.
  • FIG. 5 is a diagram schematically illustrating the relationship between the workpiece and the tool according to the present embodiment.
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating an example of a method for manufacturing a workpiece according to the present embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an example of machining state data calculated by the machine tool according to the present embodiment.
  • FIG. 8 is a diagram schematically illustrating an example of a processing system according to the present embodiment.
  • a three-dimensional orthogonal coordinate system is set, and the positional relationship of each part is described with reference to the three-dimensional orthogonal coordinate system.
  • the direction parallel to the X axis in the predetermined plane is the X axis direction
  • the direction parallel to the Y axis perpendicular to the X axis in the predetermined plane is the Y axis direction
  • parallel to the Z axis orthogonal to the X axis and the Y axis Let the direction be the Z-axis direction.
  • the rotation or tilt direction around the X axis is the ⁇ X direction
  • the rotation or tilt direction around the Y axis is the ⁇ Y direction
  • the rotation or tilt direction around the Z axis is the ⁇ Z direction.
  • the predetermined plane is an XY plane, and in the present embodiment is parallel to the horizontal plane.
  • the Z-axis direction is the vertical direction.
  • FIG. 1 is a plan view schematically showing an example of a machine tool 100 according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a side view schematically showing an example of the machine tool 100 according to the present embodiment.
  • the machine tool 100 is a grinding device.
  • the machine tool 100 includes a tool 1 that contacts the workpiece W and processes the workpiece W, a first rotating device 10 that rotates the tool 1, and a second rotation that rotates the workpiece W.
  • the apparatus 20 includes a drive device 30 that moves the tool 1 in the X-axis direction, a drive device 40 that moves the tool 1 in the Y-axis direction, and a control device 50.
  • Work W is a workpiece to be machined on the machine tool 100.
  • the workpiece W is a columnar member.
  • the machine tool 100 processes the workpiece W to manufacture a camshaft or a crankshaft.
  • the tool 1 is a grinding wheel for grinding.
  • the tool 1 grinds the workpiece W by rotating with the workpiece W in contact with the tool 1.
  • the first rotating device 10 rotates the tool 1 around a rotation axis AX parallel to the Y axis.
  • the first rotating device 10 includes a support mechanism 11 that rotatably supports the tool 1 and a first motor 12 that generates power for rotating the tool 1.
  • the support mechanism 11 and the first motor 12 are supported by a stage member 13 that can move in the X-axis direction.
  • the second rotating device 20 rotates the workpiece W around a rotation axis BX parallel to the Y axis.
  • the second rotating device 20 includes a support mechanism 21 that rotatably supports one end of the work W, a support mechanism 22 that rotatably supports the other end of the work W, and power for rotating the work W. And a second motor 23 to be generated.
  • the support mechanism 21 and the support mechanism 22 are supported by the base member 2.
  • the driving device 30 moves the tool 1 in the X-axis direction orthogonal to the rotation axis AX of the tool 1.
  • the X-axis direction is the feed direction of the tool 1.
  • the drive device 30 moves the tool 1 in the X-axis direction by moving the stage member 13 in the X-axis direction.
  • the drive device 30 includes a third motor 31 that generates power for moving the tool 1 in the X-axis direction.
  • the third motor 31 includes a direct acting motor.
  • the third motor 31 is a linear motor. Note that the third motor 31 may include a rotary motor, and the tool 1 may be moved in the X-axis direction by a ball screw mechanism operated by the third motor 31.
  • the stage member 13 moves in the ⁇ X direction
  • the tool 1 moves in the ⁇ X direction and is pressed against the workpiece W.
  • the drive device 40 moves the tool 1 in the Y-axis direction.
  • the drive device 40 moves the tool 1 in the Y-axis direction by moving the stage member 13 in the Y-axis direction.
  • the drive device 40 includes a fourth motor 41 that generates power for moving the tool 1 in the Y-axis direction.
  • the fourth motor 41 includes a direct acting motor.
  • the fourth motor 41 is a linear motor.
  • the fourth motor 41 may include a rotary motor, and the tool 1 may be moved in the Y-axis direction by a ball screw mechanism operated by the fourth motor 41.
  • the stage member 13 is supported by the base member 2 via the driving device 30 and the driving device 40.
  • the control device 50 includes a computer system.
  • the control device 50 includes a processor such as a CPU (Central Processing Unit), a non-volatile memory such as a ROM (Read Only Memory) and a volatile memory such as a RAM (Random Access Memory), and an input / output And an interface device.
  • a processor such as a CPU (Central Processing Unit)
  • a non-volatile memory such as a ROM (Read Only Memory)
  • a volatile memory such as a RAM (Random Access Memory)
  • FIG. 3 is a functional block diagram illustrating an example of the control system 200 according to the present embodiment.
  • the control system 200 includes a control device 50, a first motor 12 that generates power for rotating the tool 1 around the rotation axis AX, and a rotation speed sensor 14 that detects the rotation speed of the tool 1.
  • a third motor 31 that generates power for moving the tool 1 in the X-axis direction, a position sensor 32 that detects the position of the tool 1 in the X-axis direction, and power for rotating the workpiece W around the rotation axis BX.
  • a second motor 23 that is generated, a rotation angle sensor 24 that detects a rotation angle of the workpiece W, and a CAD data holding unit 60 that holds CAD (Computer Aided Design) data that is design data of the workpiece W are provided.
  • CAD Computer Aided Design
  • the control device 50 includes a state quantity data acquisition unit 51 to which state quantity data of the workpiece W and the tool 1 is input, a simulation including a device dynamic characteristic model indicating the dynamic characteristics of the tool 1 and a workpiece model indicating the target shape of the workpiece W A state quantity estimation data calculation unit 52 that calculates state quantity estimation data from the model, a machining state calculation unit 53 that calculates machining state data indicating the machining state of the workpiece W based on the state quantity data and the state quantity estimation data, Is provided.
  • control device 50 controls the machining condition of the tool 1 based on the output unit 54 that outputs the machining state data calculated by the machining state calculation unit 53 and the machining state data calculated by the machining state calculation unit 53.
  • a processing control unit 55 and a storage unit 56 are provided.
  • the simulation model is set in advance based on a function or a map and stored in the storage unit 56.
  • the state quantity means an amount that is uniquely determined by the state of the tool 1 or the workpiece W that is in contact with the tool 1.
  • the state quantity data is detected by the output data d1 of the first motor 12, the rotational speed data d2 of the tool 1 detected by the rotational speed sensor 14, the output data d3 of the third motor 31, and the position sensor 32.
  • the position data d4 of the tool 1 in the X-axis direction, the output data d5 of the second motor 23, and the rotation angle data d6 of the workpiece W detected by the rotation angle sensor 24 are included.
  • the output data d1 of the first motor 12 includes the torque of the first motor 12.
  • the output data d1 is derived based on the current value output from the first motor 12.
  • the output data d1 is output to the state quantity data acquisition unit 51.
  • Rotational speed sensor 14 includes, for example, a rotary encoder, and detects rotational speed data d2 indicating the rotational speed of tool 1.
  • the rotational speed data d2 is output to the state quantity data acquisition unit 51.
  • the output data d3 of the third motor 31 includes the thrust of the third motor 31.
  • the output data d3 is derived based on the current value output from the third motor 31.
  • the output data d3 is output to the state quantity data acquisition unit 51.
  • the position sensor 32 includes, for example, a linear encoder, and detects position data d4 indicating the position of the tool 1 in the X-axis direction.
  • the position sensor 32 detects the position data d4 of the tool 1 by detecting the movement amount of the third motor 31.
  • the position data d4 is output to the state quantity data acquisition unit 51.
  • the output data d5 of the second motor 23 includes the torque of the second motor 23.
  • the output data d5 is derived based on the current value output from the second motor 23.
  • the output data d5 is output to the state quantity data acquisition unit 51.
  • the rotation angle data 24 includes, for example, a rotary encoder, and detects rotation angle data d6 indicating the rotation angle of the workpiece W.
  • the rotation angle data d6 is output to the state quantity data acquisition unit 51.
  • the CAD data holding unit 60 holds CAD data d7.
  • the CAD data d7 includes target shape data of the workpiece W and physical property data of the workpiece W.
  • the target shape data of the workpiece W includes cross-sectional shape data of the workpiece W orthogonal to the rotation axis BX.
  • the state quantity data acquisition unit 51 acquires output data d1, rotation speed data d2, output data d3, position data d4, output data d5, and rotation angle data d6 as state quantity data.
  • the state quantity data is not limited to the output data d1, the rotation speed data d2, the output data d3, the position data d4, the output data d5, and the rotation angle data d6.
  • the state quantity data may include a coolant flow rate, for example.
  • the state quantity estimation data calculation unit 52 calculates the machining resistance fluctuation as the state quantity estimation data from the apparatus dynamic characteristic model indicating the dynamic characteristics of the tool 1.
  • the state quantity estimation data calculation unit 52 calculates the contact angle fluctuation or the contact position fluctuation between the tool 1 and the workpiece W as the state quantity estimation data from the workpiece model indicating the target shape of the workpiece W based on the CAD data d7.
  • the device dynamic characteristic model is calculated by modeling the tool 1 and system identification.
  • Modeling refers to the process of building a mathematical model that characterizes the behavior of an object. Modeling transforms the object into a simplified mathematical representation.
  • an apparatus dynamic characteristic model having a mass component, a damper component, and a spring component is calculated.
  • System identification refers to the process of verifying the correctness of the previous modeling by experiments.
  • system identification for example, an input signal of various frequencies is experimentally input to the tool 1 and a process of measuring the amplitude or phase output from the tool 1 is performed.
  • system identification when an input signal having various frequencies is input to the tool 1, processing for measuring the speed of the tool 1 is performed.
  • System identification experimentally verifies the correctness of the modeling.
  • the dynamic characteristic data indicating the dynamic characteristic of the tool 1 is derived based on the system identification result.
  • the dynamic characteristic data of the tool 1 includes a mass component, a damper component, and a spring component of the tool 1.
  • the dynamic characteristic data of the tool 1 includes known data related to the tool 1 such as the outer shape and dimensions of the tool 1.
  • the work model is calculated based on CAD data.
  • the workpiece model includes target shape data of the workpiece W in machining.
  • the target shape data of the workpiece W includes cross-sectional shape data of the workpiece W orthogonal to the rotation axis BX.
  • the work model includes physical property data of the work W such as the elastic modulus of the work W.
  • the work model includes dynamic characteristic data of the work W.
  • the dynamic characteristic data of the workpiece W includes, for example, a mass component, a damper component, and a spring component of the workpiece W.
  • the state quantity estimation data calculation unit 52 includes a plurality of Kalman filters 52C and can extract a plurality of state quantity data from one set of input / output data.
  • the state quantity estimation data calculation unit 52 uses, for example, the grinding resistance of the tool 1 and the machining of the workpiece W as the state quantity estimation data based on the output data d1 from the first motor 12 and the rotation speed data d2 from the rotation speed sensor 14. The starting point and the wear amount of the tool 1 can be extracted.
  • the machining state calculation unit 53 processes the workpiece W based on the state quantity data acquired by the state quantity data acquisition unit 51 and the state quantity estimation data calculated by the state quantity estimation data calculation unit 52 using a simulation model. Machining state data indicating the state is calculated.
  • the state quantity data supplied to the machining state calculation unit 53 includes state quantity estimation data extracted by the Kalman filter 52C of the state quantity estimation data calculation unit 52.
  • the state quantity data supplied to the machining state calculation unit 53 includes output data d1 supplied from the first motor 12, rotational speed data d2 supplied from the rotational speed sensor 14, and output supplied from the third motor 31. It includes data d3, position data d4 supplied from the position sensor 32, output data d5 supplied from the second motor 23, and rotation angle data d6 supplied from the rotation angle sensor 24.
  • the state quantity estimation data calculation unit 52 calculates the machining resistance of the tool 1 based on the output data d1 of the first motor 12, the rotation speed data d2 of the tool 1, and the simulation model.
  • the machining resistance of the tool 1 is the grinding resistance of the tool 1.
  • the rotational speed data of the tool 1 in the idling state where the tool 1 and the workpiece W are not in contact with each other is calculated.
  • the state quantity estimation data calculation unit 52 is based on the difference between the rotation speed data of the tool 1 in the idle state calculated based on the output data d1 and the simulation model, and the rotation speed data d2 detected by the rotation speed sensor 14.
  • the machining resistance of the tool 1 can be calculated.
  • the machining resistance of the tool 1 may be a grinding resistance extracted by the Kalman filter 52C of the state quantity estimation data calculation unit 52.
  • the machining state calculation unit 53 can calculate deflection amount variation data indicating the deflection amount of the workpiece W based on the machining resistance and the workpiece model.
  • the machining resistance is equivalent to a load acting on the workpiece W.
  • the load acting on the workpiece W is a grinding force acting on the workpiece W.
  • the workpiece model includes the cross-sectional shape data of the workpiece W and the physical property data of the workpiece W.
  • the machining state calculation unit 53 can calculate deflection amount variation data of the workpiece W based on the load acting on the workpiece model and the workpiece model.
  • the machining state calculation unit 53 calculates the shape error variation of the workpiece W based on the control command data output to the third motor 31 and the calculated deflection amount variation data of the workpiece W.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing the relationship between the control command data output to the third motor 31 according to the present embodiment and the amount of bending of the workpiece W. Based on the control command data, a command cut amount for the workpiece W is calculated.
  • the command cut amount indicating the target cut amount of the workpiece W includes the target operation amount of the third motor 31.
  • the workpiece W escapes from the tool 1.
  • the actual cutting amount indicating the actual cutting amount of the work W is smaller than the command cutting amount by an amount corresponding to the deflection amount.
  • the workpiece W when the workpiece W is bent by the cutting force acting on the workpiece W, the workpiece W is processed only by an amount smaller than the command cutting amount, and a shape error occurs in the workpiece W with respect to the target shape.
  • the deflection amount of the workpiece W that is, the shape error of the workpiece W with respect to the target shape varies.
  • the machining state calculation unit 53 determines the shape of the workpiece W relative to the target shape defined by the CAD data based on the control command data output to the third motor 31 and the calculated deflection amount fluctuation data of the workpiece W. Error variation can be calculated.
  • the state quantity estimation data calculation unit 52 calculates the contact position C between the workpiece W and the tool 1 based on the rotation angle data d6 and the workpiece model.
  • the contact position C indicates a processing point where the workpiece W is processed by the tool 1.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing the relationship between the workpiece W and the tool 1 according to the present embodiment.
  • the tool 1 rotates about the rotation axis AX, and the workpiece W rotates about the rotation axis BX.
  • the workpiece W is processed into a camshaft or a crankshaft.
  • the workpiece W is non-circular.
  • the tool 1 is substantially circular.
  • the workpiece model includes cross-sectional shape data of the workpiece W orthogonal to the rotation axis BX. Therefore, if the rotation angle of the workpiece W in the rotation direction about the rotation axis BX is known, the contact position C of the workpiece W that contacts the tool 1 is derived.
  • the state quantity estimation data calculation unit 52 can calculate the contact position C between the workpiece W and the tool 1 based on the rotation angle data d6 and the workpiece model.
  • the machining state calculation unit 53 calculates the unevenness of the surface of the workpiece W based on the output data d3 of the third motor 31 and the position data d4 of the tool 1 in the X-axis direction.
  • the rotation axis AX of the tool 1 may fluctuate and the tool 1 may swing around.
  • chatter vibration occurs in the tool 1, and at least one of the tool 1 and the workpiece W slightly vibrates in the X-axis direction.
  • chatter vibration is generated, fine irregularities are formed on the surface of the workpiece W.
  • the machining state calculation unit 53 can calculate the presence / absence of chatter vibration and the chatter force [N] indicating the force of chatter vibration as the machining state data. it can. Further, the machining state calculation unit 53 calculates a chatter amount [ ⁇ m] indicating the amplitude of chatter vibration as the machining state data based on the position data d4 of the tool 1 in the X-axis direction detected by the position sensor 32. Can do.
  • the output data d3 in the frequency band corresponding to the rotation speed of the tool 1 is extracted from the output data d3 acquired by the state quantity data acquisition unit 51 by the filtering process.
  • the machining state calculation unit 53 calculates chatter force based on the extracted output data d3.
  • position data d4 in a frequency band corresponding to the rotational speed of the tool 1 is extracted from the position data d4 acquired by the state quantity data acquisition unit 51 by filtering processing.
  • the machining state calculation unit 53 calculates the chatter amount based on the extracted position data d4.
  • the frequency band corresponding to the rotational speed of the tool 1 is calculated from the rotational speed data d2 of the tool 1.
  • the output unit 54 outputs the machining state data calculated by the machining state calculation unit 53.
  • the output unit 54 outputs machining state data in machining with the tool 1. That is, the output unit 54 outputs the machining state data of the workpiece W in real time during the machining of the workpiece W.
  • the machining control unit 55 controls the machining conditions for the tool 1 based on the machining state data calculated by the machining state calculation unit 53.
  • the machining control unit 55 performs feedback control on at least one of the first motor 12, the third motor 31, and the second motor 23 based on the machining state data calculated by the machining state calculation unit 53. .
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating an example of a method for manufacturing a workpiece according to the present embodiment.
  • a camshaft or a crankshaft that is a workpiece is manufactured from the workpiece W using the machine tool 100.
  • the workpiece W is supported by the support mechanism 21 and the support mechanism 22.
  • the first rotating device 10 rotates the tool 1 around the rotation axis AX
  • the second rotating device 20 rotates the workpiece W around the rotation axis BX.
  • the tool 1 is moved in the ⁇ X direction by the driving device 30 so that the tool 1 and the workpiece W come into contact with each other.
  • the state quantity data acquisition unit 51 detects the output data d1 of the first motor 12 and the tool 1 detected by the rotation speed sensor 14.
  • Rotational speed data d2, output data d3 of the third motor 31, position data d4 of the tool 1 in the X-axis direction detected by the position sensor 32, output data d5 of the second motor 23, and rotation angle sensor 24 The state quantity data including the rotation angle data d6 of the workpiece W is acquired (step S10).
  • the state quantity estimation data calculation unit 52 calculates state quantity estimation data from a simulation model including an apparatus dynamic characteristic model indicating the dynamic characteristics of the tool 1 and a work model indicating the target shape of the work W (step S20).
  • the machining state calculation unit 53 is a machining state indicating the machining state of the workpiece W based on the state quantity data acquired by the state quantity data acquisition unit 51 and the state quantity estimation data calculated by the state quantity estimation data calculation unit 52. Data is calculated (step S30).
  • the state quantity estimation data calculation unit 52 calculates the machining resistance of the tool 1 based on the output data d1 of the first motor 12, the rotational speed data d2 of the tool 1, and the simulation model. Note that the Kalman filter 52C of the state quantity estimation data calculation unit 52 may extract the machining resistance of the tool 1 from the output data d1 of the first motor 12.
  • the machining state calculation unit 53 calculates deflection amount variation data of the workpiece W based on the machining resistance and the workpiece model.
  • the machining resistance is equivalent to a load acting on the workpiece W.
  • the work model includes target shape data of the work W, physical property data of the work W, and dynamic characteristic data of the work W.
  • the machining state calculation unit 53 can calculate deflection amount fluctuation data indicating the deflection amount fluctuation of the workpiece W based on the load acting on the workpiece W and the workpiece model.
  • the actual cutting amount with respect to the command cutting amount is calculated as described with reference to FIG.
  • the variation in the shape error of the workpiece W with respect to the target shape defined by the CAD data is calculated.
  • the machining state calculation unit 53 can calculate error data indicating the variation in the shape error of the workpiece W with respect to the target shape as the machining state data.
  • the state quantity estimation data calculation unit 52 is based on the rotation angle data d6 of the workpiece W, the position data d4 of the tool 1, and the workpiece model.
  • the contact position C can be calculated.
  • the contact position C indicates a machining point at which the workpiece W comes into contact with the tool 1.
  • the machining state calculation unit 53 can grasp how much of which part of the workpiece W has been machined. In other words, the machining state calculation unit 53 can calculate the shape error variation with respect to the target shape for each of the plurality of parts of the workpiece W in the rotation direction around the rotation axis BX.
  • the machining state calculation unit 53 calculates the depth and pitch of the irregularities on the surface of the workpiece W generated due to chatter vibration based on the output data d3 of the third motor 31 and the position data d4 of the tool 1. can do.
  • the machining state calculation unit 53 uses a plurality of workpieces W in the rotation direction with respect to the target shape as machining state data of the workpiece W based on the state amount data acquired during machining of the workpiece W. It is possible to calculate error data for each part and surface roughness data of the workpiece W caused by chatter vibration.
  • the machining state calculation unit 53 can calculate and estimate the wear amount of the tool 1 based on the machining resistance of the tool 1 that is the state quantity estimation data and the number of workpieces W machined by the tool 1. . For example, after the estimated machining resistance (grinding resistance) of the tool 1 is settled, each of the plurality of workpieces W is roughly ground by rotating the workpiece W twice, and each of the plurality of workpieces W is roughly ground. The amount of wear of the tool 1 is acquired. The machining state calculation unit 53 calculates a representative wear amount indicating an average value of the wear amount of the tool 1 when each of the plurality of workpieces W is roughly ground. The representative wear amount is stored in the storage unit 59. The machining state calculation unit 53 can estimate the wear amount of the tool 1 based on the calculated representative wear amount of the tool 1 and the number of workpieces W machined using the tool 1.
  • the output unit 54 outputs the machining state data calculated by the machining state calculation unit 53 (step S40).
  • the output unit 54 outputs machining state data in real time during machining of the workpiece W.
  • the output unit 54 outputs the machining state data to the display device in real time, for example.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an example of machining state data calculated by the machine tool 100 according to the present embodiment. The graph shown in FIG. 7 is displayed on the display device.
  • the horizontal axis represents the angle of the part of the workpiece W in the rotation direction when the reference part of the workpiece W is 0 [°].
  • the vertical axis represents error data of each part of the workpiece W with respect to the target shape.
  • line La indicates the machining state data output from the output unit 54.
  • the machining state calculation unit 53 can calculate the machining state data of the workpiece W in real time during the machining of the workpiece W.
  • the output unit 54 can output the machining state data of the workpiece W in real time during the machining of the workpiece W.
  • the line Lb indicates error data of the workpiece W detected by the inspection apparatus in a post-process after machining by the machine tool 100. It can be seen that the line La and the line Lb sufficiently match.
  • the machining control unit 55 controls the machining conditions of the tool 1 based on the machining state data calculated by the machining state calculation unit 53 in machining the workpiece W using the tool 1 (step S50). Based on the machining state data calculated by the machining state calculation unit 53, the machining control unit 55 sets the first motor 12, the third motor 31, and the second motor so that the calculated error becomes 0 [ ⁇ m]. At least one of 23 is feedback controlled.
  • the machining state data of the workpiece W is calculated in real time based on the state quantity data acquired during the machining of the workpiece W.
  • the machining state data of the workpiece W includes error data indicating the variation in the shape error of the workpiece W with respect to the target shape and indicates the machining quality of the workpiece W.
  • the machining quality of the workpiece W that cannot be directly measured during machining of the workpiece W is virtually calculated by arithmetic processing. Can be inspected.
  • the machining quality of the workpiece W is inspected in real time based on the state quantity data acquired during machining of the workpiece W. Therefore, it is not necessary to provide a separate inspection time for processing quality inspection. Therefore, the entire processing quality of the manufactured workpiece can be inspected at a low cost. As a result, shipment of workpieces with poor processing quality is suppressed.
  • the output unit 54 that outputs the machining state data in the machining of the workpiece W by the tool 1 is provided.
  • the machining state data calculated by the machining state calculation unit 53 is output in real time during the machining of the workpiece W.
  • the administrator can visually recognize the machining quality of the workpiece W in real time via the display device.
  • the process control part 55 which controls the process conditions of the workpiece
  • the machining control unit 55 can perform feedback control of the machine tool 100 based on the machining state data calculated in real time by the machining state calculation unit 53 so that the shape error of the workpiece W is suppressed. Therefore, the machining conditions of the workpiece W are optimized in a short time, and a workpiece with good machining quality is efficiently produced in a short time.
  • output data d1 of the first motor 12 that generates power for rotating the tool 1 is acquired as the state quantity data.
  • various state quantity data such as the grinding resistance of the tool 1, the machining start point of the workpiece W, and the wear amount of the tool 1 can be acquired. it can.
  • the rotational speed data d2 of the tool 1 detected by the rotational speed sensor 14 is acquired as the state quantity data.
  • the machining resistance of the tool 1 can be calculated based on the output data d1 of the first motor 12, the rotational speed data d2 of the tool 1, and the simulation model.
  • deflection amount variation data of the workpiece W is calculated. Thereby, based on the control command data output to the third motor 31 and the deflection amount fluctuation data of the workpiece W, error data indicating the shape error variation of the workpiece W can be calculated.
  • the rotation angle data d6 of the workpiece W is acquired as the state quantity data. Thereby, the contact position C between the workpiece W and the tool 1 can be calculated based on the rotation angle data d6 and the workpiece model.
  • the output data d3 of the third motor 31 and the position data d4 of the tool 1 in the feed direction are acquired as the state quantity data.
  • work W resulting from chatter vibration are computable based on the output data d3 of the 3rd motor 31, and the position data d4 of the tool 1.
  • the machining conditions by the tool 1 are feedback-controlled based on the machining state data calculated by the machining state calculation unit 53.
  • the machining state data calculated by the machining state calculation unit 53 may be stored in the storage unit 56 in association with the serial number of the workpiece (product).
  • the shape data of a workpiece that is a final product processed by the machine tool 100 may be stored in the storage unit 56 in association with a time stamp and / or a serial number, or via the output unit 54 You may comprise so that it may memorize
  • the machine tool 100 is a grinding device that processes a camshaft or a crankshaft, but is not limited to a grinding device.
  • the machine tool 100 may be a general cylindrical grinder, a spherical grinder, a machining center, or a wire saw.
  • the control device 50 is provided in the machine tool 100.
  • the control device 50 may be a device different from the machine tool 100.
  • the function of the control device 50 may be provided in a management terminal of a factory.
  • the machine tool 100 ⁇ / b> C and a management terminal 50 ⁇ / b> C having the functions of the control device 50 are connected via a communication device 1500.
  • the management terminal 50C performs data communication with the machine tool 100C via the communication device 1500.
  • At least one function of the state quantity data acquisition unit 51, the state quantity estimation data calculation unit 52, the machining state calculation unit 53, the output unit 54, the machining control unit 55, and the storage unit 56 is a machine tool. It may be provided separately from the machine 100C.
  • processing control unit 56 ... storage unit, 60 ... CAD data holding unit, DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Machine tool, 200 ... Control system, 1000 ... Processing system, AX ... Rotary axis, BX ... Rotary axis, C ... Contact position, W ... Workpiece.

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Abstract

加工中においてリアルタイムで加工品質を検査でき、不良な加工品質の加工物の製造を抑制できる工作機械、加工物の製造方法、及び加工システムを提供する。工作機械は、ワークと接触してワークを加工する工具と、ワーク及び工具の状態量データを取得する状態量データ取得部（５１）と、工具の動特性を示す装置動特性モデル及びワークの目標形状を示すワークモデルを含むシミュレーションモデルから状態量推定データを算出する状態量推定データ算出部（５２）と、状態量データと状態量推定データとに基づいてワークの加工状態を示す加工状態データを算出する加工状態算出部（５３）と、を備える。

Description

工作機械、加工物の製造方法、及び加工システム
　本発明は、工作機械、加工物の製造方法、及び加工システムに関する。
　ワークを加工する工作機械として例えば研削装置が知られている（特許文献１参照）。
特開２０１６－０１６４８３号公報
　工作機械で製造された加工物は、後工程において検査装置で加工品質を検査される。検査には時間を要するため、製造された加工物の全部を検査することは困難である。そのため、製造された複数の加工物のうち一部の加工物を選択して検査する抜き取り検査が実施される。抜き取り検査では、不良な加工品質の加工物が出荷されてしまう可能性がある。また、検査装置を用いる検査では、不良な加工品質の加工物は後工程において発見され、加工中にリアルタイムに発見することは困難である。
　本発明の態様は、加工中においてリアルタイムで加工品質を検査でき、不良な加工品質の加工物の製造を抑制できる工作機械、加工物の製造方法、及び加工システムを提供することを目的とする。
　本発明の第１の態様に従えば、ワークと接触して前記ワークを加工する工具と、前記ワーク及び前記工具の状態量データが入力される状態量データ取得部と、前記工具の動特性を示す装置動特性モデル及び前記ワークの目標形状を示すワークモデルを含むシミュレーションモデルから状態量推定データを算出する状態量推定データ算出部と、前記状態量データと前記状態量推定データとに基づいて前記ワークの加工状態を示す加工状態データを算出する加工状態算出部と、を備える工作機械が提供される。
　本発明の第２の態様に従えば、ワークと工具とを接触させて前記工具で前記ワークを加工することと、前記加工において前記ワーク及び前記工具の状態量データを取得することと、前記工具の動特性を示す装置動特性モデル及び前記ワークの目標形状を示すワークモデルを含むシミュレーションモデルから状態量推定データを算出することと、前記状態量データと前記状態量推定データとに基づいて前記ワークの加工状態を示す加工状態データを算出することと、前記加工において前記加工状態データを出力することと、前記加工において前記加工状態データに基づいて前記工具による加工条件を制御することと、を含む加工物の製造方法が提供される。
　本発明の第３の態様に従えば、ワークと接触して前記ワークを加工する工具と、前記ワーク及び前記工具の状態量データが入力される状態量データ取得部と、前記工具の動特性を示す装置動特性モデル及び前記ワークの目標形状を示すワークモデルを含むシミュレーションモデルから状態量推定データを算出する状態量推定データ算出部と、前記状態量データと前記状態量推定データとに基づいて前記ワークの加工状態を示す加工状態データを算出する加工状態算出部と、を備える加工システムが提供される。
　本発明の態様によれば、加工中においてリアルタイムで加工品質を検査でき、不良な加工品質の加工物の製造を抑制できる工作機械、加工物の製造方法、及び加工システムが提供される。
図１は、本実施形態に係る工作機械の一例を模式的に示す平面図である。 図２は、本実施形態に係る工作機械の一例を模式的に示す側面図である。 図３は、本実施形態に係る制御装置の一例を示す機能ブロック図である。 図４は、本実施形態に係るワークの挙動を説明するための模式図である。 図５は、本実施形態に係るワークと工具との関係を模式的に示す図である。 図６は、本実施形態に係る加工物の製造方法の一例を示すフローチャートである。 図７は、本実施形態に係る工作機械により算出された加工状態データの一例を示す図である。 図８は、本実施形態に係る加工システムの一例を模式的に示す図である。
　以下、本発明に係る実施形態について図面を参照しながら説明するが、本発明はこれに限定されない。以下で説明する実施形態の構成要素は適宜組み合わせることができる。また、一部の構成要素を用いない場合もある。
　以下の説明においては、３次元直交座標系を設定し、３次元直交座標系を参照しつつ各部の位置関係について説明する。所定面内のＸ軸と平行な方向をＸ軸方向とし、所定面内においてＸ軸と直交するＹ軸と平行な方向をＹ軸方向とし、Ｘ軸及びＹ軸と直交するＺ軸と平行な方向をＺ軸方向とする。また、Ｘ軸を中心とする回転又は傾斜方向をθＸ方向とし、Ｙ軸を中心とする回転又は傾斜方向をθＹ方向とし、Ｚ軸を中心とする回転又は傾斜方向をθＺ方向とする。所定面はＸＹ平面であり、本実施形態においては水平面と平行である。Ｚ軸方向は鉛直方向である。
[工作機械]
　図１は、本実施形態に係る工作機械１００の一例を模式的に示す平面図である。図２は、本実施形態に係る工作機械１００の一例を模式的に示す側面図である。本実施形態において、工作機械１００は研削装置である。
　図１及び図２に示すように、工作機械１００は、ワークＷと接触してワークＷを加工する工具１と、工具１を回転させる第１回転装置１０と、ワークＷを回転させる第２回転装置２０と、工具１をＸ軸方向に移動する駆動装置３０と、工具１をＹ軸方向に移動する駆動装置４０と、制御装置５０とを備える。
　ワークＷは、工作機械１００に加工される加工対象物である。ワークＷは、円柱状の部材である。工作機械１００は、ワークＷを加工して、カムシャフト又はクランクシャフトを製造する。
　工具１は、研削用の砥石である。工具１は、ワークＷを接触した状態で回転することによりワークＷを研削する。
　第１回転装置１０は、Ｙ軸と平行な回転軸ＡＸを中心に工具１を回転させる。第１回転装置１０は、工具１を回転可能に支持する支持機構１１と、工具１を回転させる動力を発生する第１モータ１２とを有する。支持機構１１及び第１モータ１２は、Ｘ軸方向に移動可能なステージ部材１３に支持される。
　第２回転装置２０は、Ｙ軸と平行な回転軸ＢＸを中心にワークＷを回転させる。第２回転装置２０は、ワークＷの一方の端部を回転可能に支持する支持機構２１と、ワークＷの他方の端部を回転可能に支持する支持機構２２と、ワークＷを回転させる動力を発生する第２モータ２３とを有する。支持機構２１及び支持機構２２は、ベース部材２に支持される。
　駆動装置３０は、工具１の回転軸ＡＸと直交するＸ軸方向に工具１を移動する。Ｘ軸方向は、工具１の送り方向である。駆動装置３０は、ステージ部材１３をＸ軸方向に移動することによって工具１をＸ軸方向に移動する。駆動装置３０は、工具１をＸ軸方向に移動する動力を発生する第３モータ３１を有する。第３モータ３１は、直動モータを含む。第３モータ３１は、リニアモータである。なお、第３モータ３１が回転モータを含み、第３モータ３１によって作動するボールねじ機構により工具１がＸ軸方向に移動してもよい。ステージ部材１３が－Ｘ方向に移動することにより、工具１が－Ｘ方向に移動してワークＷに押し当てられる。
　駆動装置４０は、Ｙ軸方向に工具１を移動する。駆動装置４０は、ステージ部材１３をＹ軸方向に移動することによって工具１をＹ軸方向に移動する。駆動装置４０は、工具１をＹ軸方向に移動する動力を発生する第４モータ４１を有する。第４モータ４１は、直動モータを含む。第４モータ４１は、リニアモータである。なお、第４モータ４１が回転モータを含み、第４モータ４１によって作動するボールねじ機構により工具１がＹ軸方向に移動してもよい。ステージ部材１３は、駆動装置３０及び駆動装置４０を介してベース部材２に支持される。
　制御装置５０は、コンピュータシステムを含む。制御装置５０は、ＣＰＵ（Central　Processing　Unit）のようなプロセッサと、ＲＯＭ（Read　Only　Memory）のような不揮発性メモリ及びＲＡＭ（Random　Access　Memory）のような揮発性メモリを含む記憶装置と、入出力インターフェース装置とを有する。
[制御システム]
　次に、本実施形態に係る工作機械１００の制御システム２００の一例について説明する。図３は、本実施形態に係る制御システム２００の一例を示す機能ブロック図である。
　図３に示すように、制御システム２００は、制御装置５０と、回転軸ＡＸを中心に工具１を回転させる動力を発生する第１モータ１２と、工具１の回転速度を検出する回転速度センサ１４と、工具１をＸ軸方向に移動させる動力を発生する第３モータ３１と、Ｘ軸方向における工具１の位置を検出する位置センサ３２と、回転軸ＢＸを中心にワークＷを回転させる動力を発生する第２モータ２３と、ワークＷの回転角度を検出する回転角度センサ２４と、ワークＷの設計データであるＣＡＤ（Computer　Aided　Design）データを保持するＣＡＤデータ保持部６０と、を備える。
　制御装置５０は、ワークＷ及び工具１の状態量データが入力される状態量データ取得部５１と、工具１の動特性を示す装置動特性モデル及びワークＷの目標形状を示すワークモデルを含むシミュレーションモデルから状態量推定データを算出する状態量推定データ算出部５２と、状態量データと状態量推定データとに基づいてワークＷの加工状態を示す加工状態データを算出する加工状態算出部５３と、を備える。
　また、制御装置５０は、加工状態算出部５３で算出された加工状態データを出力する出力部５４と、加工状態算出部５３で算出された加工状態データに基づいて工具１による加工条件を制御する加工制御部５５と、記憶部５６と、を備える。
　シミュレーションモデルは、関数又はマップ等に基づいて予め設定され、記憶部５６に記憶されている。
　状態量とは、工具１又は工具１と接触するワークＷの状態によって一義的に定まる量をいう。本実施形態において、状態量データは、第１モータ１２の出力データｄ１、回転速度センサ１４によって検出される工具１の回転速度データｄ２、第３モータ３１の出力データｄ３、位置センサ３２によって検出されるＸ軸方向における工具１の位置データｄ４、第２モータ２３の出力データｄ５、及び回転角度センサ２４によって検出されるワークＷの回転角度データｄ６を含む。
　第１モータ１２の出力データｄ１は、第１モータ１２のトルクを含む。出力データｄ１は、第１モータ１２から出力される電流値に基づいて導出される。出力データｄ１は、状態量データ取得部５１に出力される。
　回転速度センサ１４は、例えばロータリーエンコーダを含み、工具１の回転速度を示す回転速度データｄ２を検出する。回転速度データｄ２は、状態量データ取得部５１に出力される。
　第３モータ３１の出力データｄ３は、第３モータ３１の推力を含む。出力データｄ３は、第３モータ３１から出力される電流値に基づいて導出される。出力データｄ３は、状態量データ取得部５１に出力される。
　位置センサ３２は、例えばリニアエンコーダを含み、Ｘ軸方向における工具１の位置を示す位置データｄ４を検出する。本実施形態において、位置センサ３２は、第３モータ３１の移動量を検出することによって、工具１の位置データｄ４を検出する。位置データｄ４は、状態量データ取得部５１に出力される。
　第２モータ２３の出力データｄ５は、第２モータ２３のトルクを含む。出力データｄ５は、第２モータ２３から出力される電流値に基づいて導出される。出力データｄ５は、状態量データ取得部５１に出力される。
　回転角度データ２４は、例えばロータリーエンコーダを含み、ワークＷの回転角度を示す回転角度データｄ６を検出する。回転角度データｄ６は、状態量データ取得部５１に出力される。
　ＣＡＤデータ保持部６０は、ＣＡＤデータｄ７を保持する。ＣＡＤデータｄ７は、ワークＷの目標形状データ及びワークＷの物性データを含む。ワークＷの目標形状データは、回転軸ＢＸと直交するワークＷの断面形状データを含む。
　状態量データ取得部５１は、状態量データとして、出力データｄ１、回転速度データｄ２、出力データｄ３、位置データｄ４、出力データｄ５、及び回転角度データｄ６を取得する。なお、状態量データは、出力データｄ１、回転速度データｄ２、出力データｄ３、位置データｄ４、出力データｄ５、及び回転角度データｄ６に限定されない。状態量データは、例えば、クーラント流量を含んでもよい。
　状態量推定データ算出部５２は、工具１の動特性を示す装置動特性モデルから状態量推定データとして加工抵抗変動を算出する。また、状態量推定データ算出部５２は、ＣＡＤデータｄ７に基づいて、ワークＷの目標形状を示すワークモデルから状態量推定データとして工具１とワークＷの接触角変動又は接触位置変動を算出する。
　装置動特性モデルは、工具１のモデリング及びシステム同定により算出される。モデリングとは、対象物の振る舞いを特徴付ける数学モデルを構築する処理をいう。モデリングにより、対象物は単純化された数学的表現に変換される。工具１について、例えば、質量成分、ダンパ成分、及びバネ成分を有する装置動特性モデルが算出される。
　システム同定とは、先に行われたモデリングの正しさを実験によって検証する処理をいう。システム同定においては、例えば工具１に様々な周波数の入力信号を実験的に入力し、工具１から出力される振幅又は位相を計測する処理が実施される。また、システム同定においては、工具１に様々な周波数の入力信号を入力したとき、工具１の速度を計測する処理が実施される。システム同定により、モデリングの正しさが実験的に検証される。
　システム同定の結果に基づいて、工具１の動特性を示す動特性データが導出される。工具１の動特性データは、工具１の質量成分、ダンパ成分、及びバネ成分を含む。また、工具１の動特性データは、工具１の外形及び寸法のような工具１に係る既知データを含む。
　ワークモデルは、ＣＡＤデータに基づいて算出される。ワークモデルは、加工におけるワークＷの目標形状データを含む。ワークＷの目標形状データは、回転軸ＢＸと直交するワークＷの断面形状データを含む。また、ワークモデルは、ワークＷの弾性率のようなワークＷの物性データを含む。また、ワークモデルは、ワークＷの動特性データを含む。ワークＷの動特性データは、例えばワークＷの質量成分、ダンパ成分、及びバネ成分を含む。ワークモデルが算出されることにより、例えば外力が作用したときのワークＷの撓み量変動が算出される。
　また、状態量推定データ算出部５２は、複数のカルマンフィルタ５２Ｃを含み、１組の入出力データから複数の状態量データを抽出することができる。状態量推定データ算出部５２は、例えば第１モータ１２からの出力データｄ１と回転速度センサ１４からの回転速度データｄ２に基づいて、状態量推定データとして、工具１の研削抵抗、ワークＷの加工開始点、及び工具１の摩耗量などを抽出することができる。
　加工状態算出部５３は、状態量データ取得部５１で取得された状態量データと状態量推定データ算出部５２でシミュレーションモデルを用いて算出された状態量推定データとに基づいて、ワークＷの加工状態を示す加工状態データを算出する。加工状態算出部５３に供給される状態量データは、状態量推定データ算出部５２のカルマンフィルタ５２Ｃによって抽出された状態量推定データを含む。また、加工状態算出部５３に供給される状態量データは、第１モータ１２から供給される出力データｄ１、回転速度センサ１４から供給される回転速度データｄ２、第３モータ３１から供給される出力データｄ３、位置センサ３２から供給される位置データｄ４、第２モータ２３から供給される出力データｄ５、及び回転角度センサ２４から供給される回転角度データｄ６を含む。
　状態量推定データ算出部５２は、第１モータ１２の出力データｄ１及び工具１の回転速度データｄ２とシミュレーションモデルとに基づいて、工具１の加工抵抗を算出する。本実施形態において、工具１の加工抵抗は、工具１の研削抵抗である。シミュレーションモデルに出力データｄ１が入力されると、工具１とワークＷとが接触していない空転状態における工具１の回転速度データが算出される。状態量推定データ算出部５２は、出力データｄ１及びシミュレーションモデルに基づいて算出された空転状態の工具１の回転速度データと、回転速度センサ１４によって検出された回転速度データｄ２との差に基づいて、工具１の加工抵抗を算出することができる。
　なお、工具１の加工抵抗は、状態量推定データ算出部５２のカルマンフィルタ５２Ｃによって抽出された研削抵抗でもよい。
　また、加工状態算出部５３は、加工抵抗とワークモデルとに基づいてワークＷの撓み量を示す撓み量変動データを算出することができる。加工抵抗は、ワークＷに作用する負荷と等価である。本実施形態において、ワークＷに作用する負荷は、ワークＷに作用する研削力である。上述のように、ワークモデルは、ワークＷの断面形状データ及びワークＷの物性データを含む。加工状態算出部５３は、ワークモデルに作用する負荷とワークモデルとに基づいて、ワークＷの撓み量変動データを算出することができる。
　また、加工状態算出部５３は、第３モータ３１に出力される制御指令データと、算出されたワークＷの撓み量変動データとに基づいて、ワークＷの形状誤差変動を算出する。
　図４は、本実施形態に係る第３モータ３１に出力された制御指令データとワークＷの撓み量との関係を示す模式図である。制御指令データに基づいて、ワークＷに対する指令切り込み量が算出される。ワークＷの目標切り込み量を示す指令切り込み量は、第３モータ３１の目標作動量を含む。ワークＷに作用する研削力に応じてワークＷが撓んだ場合、ワークＷが工具１から逃げることとなる。その結果、ワークＷの実際の切り込み量を示す実切り込み量は、指令切り込み量よりも撓み量に応じた量だけ少なくなる。すなわち、ワークＷに作用する切削力によりワークＷが撓んだ場合、指令切り込み量よりも少ない量だけしかワークＷが加工されないこととなり、目標形状に対してワークＷに形状誤差が発生する。そして、ワークＷの目標形状や加工条件などによってワークＷに作用する研削力が変動するような場合においては、ワークＷの撓み量、すなわち、目標形状に対するワークＷの形状誤差が変動する。
　したがって、加工状態算出部５３は、第３モータ３１に出力された制御指令データと、算出されたワークＷの撓み量変動データとに基づいて、ＣＡＤデータによって規定される目標形状に対するワークＷの形状誤差変動を算出することができる。
　また、状態量推定データ算出部５２は、回転角度データｄ６とワークモデルとに基づいて、ワークＷと工具１との接触位置Ｃを算出する。接触位置Ｃは、ワークＷが工具１によって加工される加工点を示す。
　図５は、本実施形態に係るワークＷと工具１との関係を示す模式図である。工具１は回転軸ＡＸを中心に回転し、ワークＷは回転軸ＢＸを中心に回転する。ワークＷは、カムシャフト又はクランクシャフトに加工される。回転軸ＢＸと直交する断面において、ワークＷは非円形である。回転軸ＡＸと直交する断面において、工具１は実質的に円形である。
　回転する非円形のワークＷと回転する円形の工具１とが接触する場合、ワークＷの回転に伴って、工具１と接触するワークＷの接触位置Ｃと回転軸ＢＸとの距離は変化する。
　上述のように、ワークモデルは、回転軸ＢＸと直交するワークＷの断面形状データを含む。そのため、回転軸ＢＸを中心とする回転方向におけるワークＷの回転角度が分かれば、工具１と接触するワークＷの接触位置Ｃが導出される。状態量推定データ算出部５２は、回転角度データｄ６とワークモデルとに基づいて、ワークＷと工具１との接触位置Ｃを算出することができる。
　また、加工状態算出部５３は、第３モータ３１の出力データｄ３及びＸ軸方向における工具１の位置データｄ４に基づいて、ワークＷの表面の凹凸を算出する。
　工具１の回転軸ＡＸが変動し、工具１が振れ回る現象が発生する可能性がある。工具１が振れ回ると、工具１においてビビリ振動が発生し、工具１及びワークＷの少なくとも一方がＸ軸方向に微振動する。ビビリ振動が発生すると、ワークＷの表面に微細な凹凸が形成されてしまう。
　ビビリ振動が発生すると、工具１をＸ軸方向に移動する第３モータ３１の出力データｄ３が変動する。したがって、加工状態算出部５３は、第３モータ３１の出力データｄ３に基づいて、加工状態データとして、ビビリ振動の発生の有無、及びビビリ振動の力を示すビビリ力[Ｎ]を算出することができる。また、加工状態算出部５３は、位置センサ３２によって検出されるＸ軸方向における工具１の位置データｄ４に基づいて、加工状態データとして、ビビリ振動の振幅を示すビビリ量[μｍ]を算出することができる。
　なお、本実施形態においては、状態量データ取得部５１に取得された出力データｄ３から工具１の回転速度に対応する周波数帯域の出力データｄ３がフィルタリング処理により抽出される。加工状態算出部５３は、抽出された出力データｄ３に基づいて、ビビリ力を算出する。同様に、状態量データ取得部５１に取得された位置データｄ４から工具１の回転速度に対応する周波数帯域の位置データｄ４がフィルタリング処理により抽出される。加工状態算出部５３は、抽出された位置データｄ４に基づいて、ビビリ量を算出する。なお、工具１の回転速度に対応する周波数帯域は、工具１の回転速度データｄ２から算出される。
　出力部５４は、加工状態算出部５３で算出された加工状態データを出力する。出力部５４は、工具１による加工において加工状態データを出力する。すなわち、出力部５４は、ワークＷの加工中においてワークＷの加工状態データをリアルタイムで出力する。
　加工制御部５５は、加工状態算出部５３によって算出された加工状態データに基づいて、工具１による加工条件を制御する。本実施形態において、加工制御部５５は、加工状態算出部５３によって算出された加工状態データに基づいて、第１モータ１２、第３モータ３１、及び第２モータ２３の少なくとも一つをフィードバック制御する。
[加工物の製造方法]
　次に、本実施形態に係る加工物の製造方法について説明する。図６は、本実施形態に係る加工物の製造方法の一例を示すフローチャートである。本実施形態においては、工作機械１００を用いてワークＷから加工物であるカムシャフト又はクランクシャフトが製造される。
　ワークＷが支持機構２１及び支持機構２２に支持される。第１回転装置１０により工具１が回転軸ＡＸを中心に回転し、第２回転装置２０によりワークＷが回転軸ＢＸを中心に回転する。工具１が回転しワークＷが回転している状態で、工具１とワークＷとが接触するように、駆動装置３０により工具１が－Ｘ方向に移動される。
　ワークＷと工具１とが接触し工具１によりワークＷが加工されている状態で、状態量データ取得部５１は、第１モータ１２の出力データｄ１、回転速度センサ１４によって検出される工具１の回転速度データｄ２、第３モータ３１の出力データｄ３、位置センサ３２によって検出されるＸ軸方向における工具１の位置データｄ４、第２モータ２３の出力データｄ５、及び回転角度センサ２４によって検出されるワークＷの回転角度データｄ６を含む状態量データを取得する（ステップＳ１０）。
　状態量推定データ算出部５２は、工具１の動特性を示す装置動特性モデル及びワークＷの目標形状を示すワークモデルを含むシミュレーションモデルから状態量推定データを算出する（ステップＳ２０）。
　加工状態算出部５３は、状態量データ取得部５１で取得された状態量データと状態量推定データ算出部５２で算出された状態量推定データとに基づいて、ワークＷの加工状態を示す加工状態データを算出する（ステップＳ３０）。
　本実施形態においては、状態量推定データ算出部５２において、第１モータ１２の出力データｄ１及び工具１の回転速度データｄ２とシミュレーションモデルとに基づいて、工具１の加工抵抗が算出される。なお、状態量推定データ算出部５２のカルマンフィルタ５２Ｃが、第１モータ１２の出力データｄ１から工具１の加工抵抗を抽出してもよい。
　工具１の加工抵抗が導出された後、加工状態算出部５３は、加工抵抗とワークモデルとに基づいて、ワークＷの撓み量変動データを算出する。加工抵抗は、ワークＷに作用する負荷と等価である。また、ワークモデルは、ワークＷの目標形状データ、ワークＷの物性データ、及びワークＷの動特性データを含む。加工状態算出部５３は、ワークＷに作用する負荷とワークモデルとに基づいて、ワークＷの撓み量変動を示す撓み量変動データを算出することができる。
　ワークＷの撓み量変動データが算出されることにより、図４を参照して説明したように、指令切り込み量に対する実切り込み量が算出される。実切り込み量が算出されることにより、ＣＡＤデータによって規定される目標形状に対するワークＷの形状誤差変動が算出される。加工状態算出部５３は、加工状態データとして、目標形状に対するワークＷの形状誤差変動を示す誤差データを算出することができる。
　また、図５を参照して説明したように、状態量推定データ算出部５２は、ワークＷの回転角度データｄ６と工具１の位置データｄ４とワークモデルとに基づいて、ワークＷと工具１との接触位置Ｃを算出することができる。接触位置Ｃは、ワークＷが工具１と接触する加工点を示す。加工状態算出部５３は、接触位置Ｃを算出することにより、ワークＷのどの部位がどれくらい加工されているかを把握することができる。換言すれば、加工状態算出部５３は、回転軸ＢＸを中心とする回転方向におけるワークＷの複数の部位のそれぞれについての目標形状に対する形状誤差変動を算出することができる。
　また、加工状態算出部５３は、第３モータ３１の出力データｄ３及び工具１の位置データｄ４に基づいて、ビビリ振動に起因して生成されるワークＷの表面の凹凸の深さ及びピッチを算出することができる。
　すなわち、本実施形態においては、加工状態算出部５３は、ワークＷの加工中に取得される状態量データに基づいて、ワークＷの加工状態データとして、目標形状に対する回転方向におけるワークＷの複数の部位のそれぞれについての誤差データ、及びビビリ振動に起因するワークＷの表面の凹凸データを算出することができる。
　また、加工状態算出部５３は、状態量推定データである工具１の加工抵抗と、工具１により加工されたワークＷの数とに基づいて、工具１の摩耗量を算出し推定することができる。例えば、推定される工具１の加工抵抗（研削抵抗）が静定した後、ワークＷを２回転して複数のワークＷのそれぞれが粗研削され、それら複数のワークＷのそれぞれが粗研削されたときの工具１の摩耗量が取得される。加工状態算出部５３は、複数のワークＷのそれぞれを粗研削したときの工具１の摩耗量の平均値を示す代表摩耗量を算出する。代表摩耗量は記憶部５９に記憶される。加工状態算出部５３は、算出した工具１の代表摩耗量と、その工具１を使って加工されたワークＷの数とに基づいて、工具１の摩耗量を推定することができる。
　工具１による加工中において、出力部５４は、加工状態算出部５３で算出された加工状態データを出力する（ステップＳ４０）。出力部５４は、ワークＷの加工中においてリアルタイムで加工状態データを出力する。出力部５４は、例えば表示装置に加工状態データをリアルタイムに出力する。
　図７は、本実施形態に係る工作機械１００により算出された加工状態データの一例を示す図である。図７に示すグラフは、表示装置に表示される。
　図７に示すグラフにおいて、横軸は、ワークＷの基準部位を０[°]としたときの回転方向におけるワークＷの部位の角度を示す。縦軸は、目標形状に対するワークＷのそれぞれの部位の誤差データを示す。
　図７において、ラインＬａは、出力部５４から出力された加工状態データを示す。工作機械１００において状態量データが取得されることにより、加工状態算出部５３は、ワークＷの加工中においてワークＷの加工状態データをリアルタイムで算出することができる。出力部５４は、ワークＷの加工中においてワークＷの加工状態データをリアルタイムで出力することができる。
　なお、ラインＬｂは、工作機械１００による加工後の後工程において検査装置で検出されたワークＷの誤差データを示す。ラインＬａとラインＬｂとは十分に一致することが分かる。
　加工制御部５５は、工具１を用いるワークＷの加工において、加工状態算出部５３で算出された加工状態データに基づいて、工具１による加工条件を制御する（ステップＳ５０）。加工制御部５５は、加工状態算出部５３で算出された加工状態データに基づいて、算出された誤差が０[μｍ]になるように、第１モータ１２、第３モータ３１、及び第２モータ２３の少なくとも一つをフィードバック制御する。
[作用及び効果]
　以上説明したように、本実施形態によれば、ワークＷの加工中において取得される状態量データに基づいて、ワークＷの加工状態データがリアルタイムで算出される。ワークＷの加工状態データは、目標形状に対するワークＷの形状誤差変動を示す誤差データを含み、ワークＷの加工品質を示す。本実施形態によれば、シミュレーションモデルを用いることにより、状態量データとシミュレーションモデルとに基づいて、ワークＷの加工中には直接的には計測できないワークＷの加工品質を、演算処理によって仮想的に検査することができる。
　したがって、従来技術のような、後工程において検査装置を使って加工物を検査する必要が無くなる。大型で高価な検査装置が不要となるため、設備コストを抑制することができる。
　また、ワークＷの加工中に取得される状態量データに基づいてワークＷの加工品質がリアルタイムで検査される。そのため、加工品質の検査のための検査時間を別途設けなくても済む。したがって、製造された加工物の全部の加工品質を低コストで検査することができる。そのため、不良な加工品質の加工物の出荷が抑制される。
　また、本実施形態によれば、工具１によるワークＷの加工において加工状態データを出力する出力部５４が設けられる。これにより、加工状態算出部５３で算出された加工状態データは、ワークＷの加工中においてリアルタイムで出力される。例えば、加工状態データが表示装置にリアルタイムで出力されることにより、管理者は、表示装置を介して、ワークＷの加工品質をリアルタイムで視認することができる。
　また、本実施形態によれば、加工状態データに基づいて工具１によるワークＷの加工条件を制御する加工制御部５５が設けられる。加工制御部５５は、加工状態算出部５３においてリアルタイムで算出された加工状態データに基づいて、ワークＷの形状誤差が抑制されるように、工作機械１００をフィードバック制御することができる。したがって、ワークＷの加工条件が短時間で最適化され、良好な加工品質の加工物が短時間で効率良く製造される。
　また、本実施形態においては、状態量データとして、工具１を回転させる動力を発生する第１モータ１２の出力データｄ１が取得される。カルマンフィルタ５２Ｃにおいて第１モータ１２の出力データｄ１がデータ処理されることにより、工具１の研削抵抗、ワークＷの加工開始点、及び工具１の摩耗量など、様々な状態量データを取得することができる。
　また、本実施形態においては、状態量データとして、回転速度センサ１４によって検出される工具１の回転速度データｄ２が取得される。これにより、第１モータ１２の出力データｄ１及び工具１の回転速度データｄ２とシミュレーションモデルとに基づいて、工具１の加工抵抗を算出することができる。工具１の加工抵抗が算出されることにより、ワークＷの加工量及びワークＷの撓み量変動を推定することができる。
　また、本実施形態においては、ワークＷの撓み量変動データが算出される。これにより、第３モータ３１に出力された制御指令データとワークＷの撓み量変動データとに基づいて、ワークＷの形状誤差変動を示す誤差データを算出することができる。
　また、本実施形態においては、状態量データとして、ワークＷの回転角度データｄ６が取得される。これにより、回転角度データｄ６とワークモデルとに基づいて、ワークＷと工具１との接触位置Ｃを算出することができる。
　また、本実施形態においては、状態量データとして、第３モータ３１の出力データｄ３及び送り方向における工具１の位置データｄ４が取得される。これにより、第３モータ３１の出力データｄ３及び工具１の位置データｄ４に基づいて、ビビリ振動に起因するワークＷの表面の凹凸データを算出することができる。
　なお、上述の実施形態においては、加工状態算出部５３によって算出された加工状態データに基づいて、工具１による加工条件がフィードバック制御されることとした。例えば、加工状態算出部５３によって算出された加工状態データが、加工物（製品）のシリアル番号に対応付けられて記憶部５６に記憶されてもよい。例えば、工作機械１００によって加工された最終製品である加工物の形状データがタイムスタンプ及び／又はシリアル番号に対応付けられて記憶部５６に記憶されてもよいし、あるいは、出力部５４を介して外部の管理端末に記憶するように構成してもよい。
　なお、上述の実施形態においては、工作機械１００が、カムシャフトやクランクシャフトを加工する研削装置であることとしたが、研削装置に限定されない。工作機械１００は、一般的な円筒研削盤でもよいし、球面研削盤でもよいし、マシニングセンタでもよいし、ワイヤソーでもよい。
　なお、上述の実施形態においては、制御装置５０が工作機械１００に設けられることとした。制御装置５０は工作機械１００とは別の装置でもよい。例えば、図８に示す加工システム１０００のように、制御装置５０の機能が工場の管理端末に設けられてもよい。図８に示す加工システム１０００において、工作機械１００Ｃと制御装置５０の機能を有する管理端末５０Ｃとは、通信装置１５００を介して接続される。管理端末５０Ｃは、通信装置１５００を介して、工作機械１００Ｃとデータ通信する。すなわち、上述の実施形態において、状態量データ取得部５１、状態量推定データ算出部５２、加工状態算出部５３、出力部５４、加工制御部５５、及び記憶部５６の少なくとも一つの機能が、工作機械１００Ｃとは別に設けられてもよい。
　１…工具、２…ベース部材、１０…第１回転装置、１１…支持機構、１２…第１モータ、１３…ステージ部材、１４…回転速度センサ、２０…第２回転装置、２１…支持機構、２２…支持機構、２３…第２モータ、２４…回転角度センサ、３０…駆動装置、３１…第３モータ、３２…位置センサ、４０…駆動装置、４１…第４モータ、５０…制御装置、５１…状態量データ取得部、５２…状態量推定データ算出部、５２Ｃ…カルマンフィルタ、５３…加工状態算出部、５４…出力部、５５…加工制御部、５６…記憶部、６０…ＣＡＤデータ保持部、１００…工作機械、２００…制御システム、１０００…加工システム、ＡＸ…回転軸、ＢＸ…回転軸、Ｃ…接触位置、Ｗ…ワーク。

Claims (12)

  1. 　ワークと接触して前記ワークを加工する工具と、
    　前記ワーク及び前記工具の状態量データが入力される状態量データ取得部と、
    　前記工具の動特性を示す装置動特性モデル及び前記ワークの目標形状を示すワークモデルを含むシミュレーションモデルから状態量推定データを算出する状態量推定データ算出部と、
    　前記状態量データと前記状態量推定データとに基づいて前記ワークの加工状態を示す加工状態データを算出する加工状態算出部と、
    を備える工作機械。
  2. 　前記工具による前記加工において前記加工状態データを出力する出力部を備える請求項１に記載の工作機械。
  3. 　前記加工状態データに基づいて前記工具による加工条件を制御する加工制御部を備える請求項１又は請求項２に記載の工作機械。
  4. 　前記工具を回転させる動力を発生する第１モータを含む第１回転装置を備え、
    　前記状態量データは、前記第１モータの出力データを含む請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の工作機械。
  5. 　前記状態量データは、前記工具の回転速度データを含み、
    　前記状態量推定データ算出部は、前記第１モータの出力データ及び前記工具の回転速度データと前記シミュレーションモデルとに基づいて、前記工具の加工抵抗を算出する請求項４に記載の工作機械。
  6. 　送り方向に前記工具又は前記ワークを移動する動力を発生する第３モータを含み、前記工具と前記ワークとを押し当てる駆動装置を備え、
    　前記加工状態算出部は、前記加工抵抗とワークモデルとに基づいて前記ワーク又は前記工具の撓み量変動データを算出し、前記第３モータに出力された制御指令データと前記撓み量変動データとに基づいて、前記ワークの形状誤差変動を算出する請求項５に記載の工作機械。
  7. 　前記ワークを回転させる動力を発生する第２モータを含む第２回転装置を備え、
    　前記状態量データは、前記ワークの回転角度データを含み、
    　前記状態量推定データ算出部は、前記回転角度データと前記ワークモデルとに基づいて前記ワークと前記工具との接触位置を算出する請求項６に記載の工作機械。
  8. 　前記状態量データは、前記第３モータの出力データ及び前記送り方向における前記工具の位置データを含み、
    　前記加工状態算出部は、前記第３モータの出力データ及び前記位置データに基づいて、前記ワークの表面の凹凸を算出する請求項６又は請求項７に記載の工作機械。
  9. 　ワークと工具とを接触させて前記工具で前記ワークを加工することと、
    　前記加工において前記ワーク及び前記工具の状態量データを取得することと、
    　前記工具の動特性を示す装置動特性モデル及び前記ワークの目標形状を示すワークモデルを含むシミュレーションモデルから状態量推定データを算出することと、
    　前記状態量データと前記状態量推定データとに基づいて前記ワークの加工状態を示す加工状態データを算出することと、
    　前記加工において前記加工状態データを出力することと、
    　前記加工において前記加工状態データに基づいて前記工具による加工条件を制御することと、
    を含む加工物の製造方法。
  10. 　前記工具を回転させる動力を発生する第１モータからの出力データと前記工具の回転速度を検出する回転速度センサからの回転速度データとに基づいて前記ワークの加工開始点を抽出することを含む請求項９に記載の加工物の製造方法。
  11. 　前記状態量推定データは、前記工具の加工抵抗を含み、
    　前記加工抵抗と前記工具により加工された前記ワークの数とに基づいて前記工具の摩耗量を推定することを含む請求項９又は請求項１０に記載の加工物の製造方法。
  12. 　ワークと接触して前記ワークを加工する工具と、
    　前記ワーク及び前記工具の状態量データが入力される状態量データ取得部と、
    　前記工具の動特性を示す装置動特性モデル及び前記ワークの目標形状を示すワークモデルを含むシミュレーションモデルから状態量推定データを算出する状態量推定データ算出部と、
    　前記状態量データと前記状態量推定データとに基づいて前記ワークの加工状態を示す加工状態データを算出する加工状態算出部と、
    を備える加工システム。
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