WO2022202601A1 - 工作機械、工作機械の制御方法、および工作機械の制御プログラム - Google Patents

工作機械、工作機械の制御方法、および工作機械の制御プログラム Download PDF

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WO2022202601A1
WO2022202601A1 PCT/JP2022/012235 JP2022012235W WO2022202601A1 WO 2022202601 A1 WO2022202601 A1 WO 2022202601A1 JP 2022012235 W JP2022012235 W JP 2022012235W WO 2022202601 A1 WO2022202601 A1 WO 2022202601A1
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WO
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work
workpiece
chuck
machine tool
spindle
Prior art date
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PCT/JP2022/012235
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English (en)
French (fr)
Inventor
勝照 小野
綾太郎 服部
敦史 多田
勉 倉本
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Dmg森精機株式会社
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23B—TURNING; BORING
    • B23B31/00—Chucks; Expansion mandrels; Adaptations thereof for remote control
    • 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
    • B23Q17/00—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools
    • 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
    • B23Q17/00—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools
    • B23Q17/24—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools using optics or electromagnetic waves
    • 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

Definitions

  • the present disclosure relates to technology for controlling a machine tool having a work spindle.
  • Machine tools such as lathes process the workpiece by applying the tool to the workpiece while rotating the workpiece spindle. At this time, if the chuck pressure of the work by the work spindle is too large, the work will be deformed. On the other hand, if the work chucking pressure by the work spindle is too low, the work will come off the work spindle. Therefore, the workpiece chucking pressure must be properly controlled.
  • Patent Document 1 describes a machine tool that holds a workpiece with low pressure when the workpiece starts to rotate and with high pressure when cutting the workpiece. is disclosed.
  • Patent Literature 1 It is necessary to prevent the workpiece from coming off the workpiece spindle during machining.
  • the machine tool disclosed in Patent Literature 1 is not intended to prevent the work from deviating from the work spindle. In view of this point, there is a demand for a technique for detecting a sign that the work will deviate from the work spindle.
  • a machine tool in one example of the present disclosure, includes a work spindle having a chuck for gripping a work.
  • the work main shaft is configured to rotate the work about the axial direction of the work main shaft in a state where the work is fixed by the chuck.
  • the machine tool includes a detection section for detecting an index representing a gripping state of the workpiece with respect to the chuck, and a control section for controlling the machine tool. Based on the index detected by the detection unit, the control unit detects a sign that the work will come off from the chuck, and if the sign is detected, performs a predetermined abnormality handling process. Execute the processing to be performed.
  • the predetermined abnormality coping process includes a process of increasing the gripping force of the workpiece by the chuck to a level greater than that before the sign is detected.
  • the predetermined abnormality coping process includes a process of stopping rotational driving of the work spindle.
  • an air hole is provided in the bonding surface between the work spindle and the work.
  • the detection unit includes an air supply passage connected to the air hole, and a pressure sensor for detecting air pressure in the air supply passage.
  • the indicator includes the air pressure.
  • the process of detecting the precursor includes a process of determining whether or not the precursor has occurred based on the time-series data of the air pressure sequentially obtained from the pressure sensor.
  • the detection unit includes a camera for photographing the workpiece gripped by the chuck.
  • the indicator includes an image obtained from the camera.
  • the process of detecting the precursor includes a process of outputting a photographing instruction to the camera at the same period as the rotation period of the work main shaft, and a process of outputting a photographing instruction to the camera at the same period as the rotation period of the work spindle, and based on a result of comparison of at least two images obtained by the photographing instruction. and determining whether it has occurred.
  • the chuck is provided with a plurality of claws for gripping the work.
  • the detection unit detects a physical quantity correlated with the position of each of the plurality of claws.
  • the index includes the physical quantity.
  • the process of detecting the precursor includes a process of determining whether or not the precursor has occurred based on the time-series data of the physical quantity.
  • the detection unit includes an acquisition unit for acquiring a control value related to rotational driving of the work spindle.
  • the indicator includes the control value.
  • the process of detecting the precursor includes a process of determining whether or not the precursor occurs based on the time-series data of the control values sequentially obtained from the acquisition unit.
  • the machine tool includes a work spindle having a chuck for holding a work.
  • the work main shaft is configured to rotate the work about the axial direction of the work main shaft in a state where the work is fixed by the chuck.
  • the control method comprises the steps of: detecting an index representing a gripping state of the work with respect to the chuck; detecting a sign that the work will come off the chuck based on the index; , and a step of executing a predetermined abnormality handling process.
  • the machine tool includes a work spindle having a chuck for holding a work.
  • the work main shaft is configured to rotate the work about the axial direction of the work main shaft in a state where the work is fixed by the chuck.
  • the control program provides the machine tool with a step of detecting an index representing a gripping state of the work with respect to the chuck, a step of detecting an indication that the work will come off the chuck based on the index, and and executing a predetermined abnormality coping process when the abnormality is detected.
  • FIG. 10 is a diagram for explaining a specific example 1 of processing for detecting a sign that a workpiece is detached from a chuck;
  • FIG. 4 is a diagram showing time-series data of air pressure normally output by a pressure sensor;
  • FIG. 4 is a diagram showing time-series data of air pressure output by a pressure sensor when an abnormality occurs.
  • FIG. 10 is a diagram for explaining a specific example 2 of processing for detecting a sign that the workpiece will come off the chuck;
  • FIG. 11 is a diagram for explaining a specific example 3 of processing for detecting a sign that the workpiece will come off the chuck; It is the figure which represented the wedge plunger from the Z direction.
  • FIG. 11 is a diagram for explaining a specific example 4 of processing for detecting a sign that the workpiece will come off the chuck;
  • 1 is a schematic diagram showing an example of a hardware configuration of a CNC (Computerized Numerical Control) unit;
  • FIG. 4 is a flow chart showing part of the processing executed by the control unit of the machine tool;
  • FIG. 1 is a diagram showing the inside of a machine tool 100. As shown in FIG.
  • the machine tool 100 processes a workpiece by applying a tool to the workpiece while rotating the workpiece.
  • machine tool 100 may be a lathe or a turning center.
  • the direction of gravity is hereinafter also referred to as the "X-axis direction”.
  • One direction on the horizontal plane perpendicular to the X-axis is also referred to as "Y-axis direction”.
  • a direction perpendicular to both the X-axis direction and the Y-axis direction is referred to as a "Z-axis direction.”
  • the Z-axis direction corresponds to the horizontal direction of the paper.
  • the machine tool 100 has a work spindle 211, an opposing work spindle 216, a tool spindle 221, a tool post 231, and a bed 236.
  • the bed 236 is a base member for supporting the work spindle 211, the opposing work spindle 216, the tool spindle 221, the tool post 231, etc., and is installed on the floor of a factory or the like.
  • the bed 236 is made of metal such as cast iron.
  • the work main shaft 211 and the opposed work main shaft 216 are configured to be able to hold the work W.
  • the work spindle 211 and the opposing work spindle 216 are provided facing each other in the Z-axis direction.
  • the work main shaft 211 and the opposing work main shaft 216 are provided mainly to rotate the work W during turning using a stationary tool.
  • a work spindle 211 is provided so as to be rotatable about a central axis 201 parallel to the Z-axis.
  • the opposing work main shaft 216 is provided so as to be rotatable around a central axis 202 parallel to the Z-axis.
  • the work spindle 211 and the opposing work spindle 216 are provided with chucks 213 and 218 for detachably holding the work W, respectively.
  • the chuck 213 has a plurality of claws 213A. Each of the claws 213A is arranged in the circumferential direction on the connection surface between the chuck 213 and the work W. As shown in FIG. A hydraulic cylinder (not shown) is also connected to the chuck 213 . The machine tool 100 controls the hydraulic cylinder via the hydraulic valve to uniformly operate the pawl 213A in the diameter-reducing direction and the diameter-expanding direction by hydraulic pressure. Thereby, the chuck 213 grips or releases the workpiece W. As shown in FIG.
  • the work spindle 211 is fixed on the bed 236 .
  • the opposing work main shaft 216 is provided so as to be movable in the Z-axis direction by various feed mechanisms, guide mechanisms, servomotors, and the like.
  • the chuck 218 has a plurality of claws 218A. Each of the claws 218A is arranged in the circumferential direction on the connection surface between the chuck 218 and the work W. As shown in FIG. A hydraulic cylinder (not shown) is also connected to the chuck 218 . The machine tool 100 controls the hydraulic cylinder via the hydraulic valve to uniformly operate the pawl 218A in the diameter-reducing direction and the diameter-expanding direction by hydraulic pressure. Thereby, the chuck 218 grips or releases the workpiece W. As shown in FIG.
  • the tool spindle 221 and the tool post 231 are configured to be able to hold a tool for cutting the workpiece W.
  • the tool spindle 221 is provided above the tool post 231 .
  • the tool spindle 221 is provided rotatably around a central axis 203 parallel to the X-axis direction extending in the vertical direction.
  • the tool spindle 221 is provided with a clamping mechanism (not shown) for detachably holding the tool.
  • the tool spindle 221 further extends in the horizontal direction and is rotatable about a central axis 204 parallel to the Y-axis perpendicular to the Z-axis direction (B-axis rotation).
  • the turning range of the tool spindle 221 is, for example, a range of ⁇ 120° with respect to the orientation in which the spindle end face 223 of the tool spindle 221 faces downward (the orientation shown in FIG. 1).
  • the tool spindle 221 is supported on the bed 236 by a column (not shown) or the like.
  • the tool spindle 221 is provided movably in the X-axis direction, the Y-axis direction and the Z-axis direction by various feed mechanisms, guide mechanisms, servomotors, etc. provided on a column or the like.
  • the tool post 231 is a so-called turret type, and a plurality of tools are mounted radially to perform turning indexing.
  • the tool rest 231 has a swivel part 232 .
  • the swivel part 232 is provided so as to be swivelable around a central axis 206 parallel to the Z-axis.
  • Tool holders for holding tools are attached at circumferentially spaced positions around the central axis 206 . As the turning portion 232 turns around the central axis 206, the tool held by the tool holder moves in the circumferential direction, and the tool used for machining the workpiece is indexed.
  • the tool post 231 is supported on a bed 236 by a saddle (not shown) or the like.
  • the tool post 231 is provided movably in the X-axis direction and the Z-axis direction by various feed mechanisms, guide mechanisms, servo motors, and the like provided on the saddle.
  • the tool post 231 may be provided so as to be movable in the Z-axis direction and in an oblique vertical direction that is orthogonal to the Z-axis direction and includes a vertical component.
  • the tool post 231 may be configured to move in an oblique up-and-down direction perpendicular to the Z-axis direction and including a vertical component by being sent in the Y-axis direction and the X-axis direction at the same time.
  • Each of the tool spindle 221 and the tool post 231 may hold a rotating tool or a stationary tool.
  • a rotary tool is a tool for processing the workpiece W while rotating, such as a drill, an end mill, or a reamer.
  • the tool post 231 When the tool post 231 holds a rotary tool, the tool post 231 incorporates a motor that outputs rotation and a power transmission mechanism that transmits the rotation output from the motor to the rotary tool.
  • the machine tool 100 further has a splash guard 210.
  • the splash guard 210 forms an appearance of the machine tool 100 and defines a machining area 200 for the workpiece W. As shown in FIG.
  • the machine tool 100 detects a sign that the work W will come off from the chuck 213 while the work W is being processed. The detection process will be described below with reference to FIG.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of the configuration of the machine tool 100. As shown in FIG. Machine tool 100 includes an index detection unit 40 and a control unit 50 as a hardware configuration.
  • the index detection unit 40 detects an index that indicates the gripping state of the workpiece W with respect to the chuck 213 (hereinafter also referred to as "gripping state index").
  • the gripping state index is a concept that can include various indexes that change according to the gripping state of the workpiece W with respect to the chuck 213 . A specific example of the grip state index will be described later.
  • the control unit 50 controls the machine tool 100.
  • the control unit 50 includes a precursor detection unit 52 and an abnormality processing unit 54 as functional configurations.
  • the sign detection unit 52 detects a sign that the workpiece W will come off the chuck 213 based on the gripping state index detected by the index detection unit 40 .
  • the abnormality processing unit 54 performs a predetermined abnormality handling process when the precursor detection unit 52 detects a precursor that the workpiece W will come off the chuck 213 . Thereby, the abnormality processing unit 54 prevents the work W from coming off the work spindle 211 during machining.
  • the abnormality processing unit 54 makes the gripping force of the chuck 213 on the workpiece W stronger than before the sign is detected.
  • the gripping force of the workpiece W is controlled, for example, via hydraulic valves (not shown) connected to each of the chucks 213 .
  • the gripping force is set, for example, to the maximum value within a settable range.
  • the abnormality processing unit 54 stops rotating the work spindle 211 when the sign detecting unit 52 detects a sign that the work W will come off the chuck 213 . As a result, the abnormality processing unit 54 can prevent the workpiece W from flying off the workpiece spindle 211 .
  • abnormality processing unit 54 may execute both the process of increasing the gripping force of the workpiece W and the process of stopping the rotational drive of the workpiece spindle 211 when the above-mentioned sign is given. Either process may be executed.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining a specific example 1 of processing for detecting a sign that the work W is coming off the chuck 213.
  • FIG. 3 The specific example 1 will be described below.
  • the index detection unit 40 includes an air device 141, an air supply path 142, and a pressure sensor 143, for example.
  • the air device 141 is composed of, for example, an air compressor and a valve.
  • the air device 141 is connected to one end of the air supply path 142 .
  • the other end of the air supply path 142 is connected to one end of an air hole 214 formed in the work spindle 211 .
  • the other end of the air hole 214 is connected to the bonding surface SF between the work spindle 211 and the work W. As shown in FIG.
  • the air holes 214 are provided on the bonding surface SF.
  • the air pressure-fed from the air device 141 passes through the air supply path 142 and is output from the air hole 214 .
  • a pressure sensor 143 is provided in the air supply path 142 and detects the air pressure in the air supply path 142 .
  • the air pressure in the air supply passage 142 increases.
  • the index detection unit 40 detects the air pressure detected by the pressure sensor 143 as a gripping state index.
  • the sign detection unit 52 detects a sign that the work W will come off the chuck 213 based on the air pressure time-series data sequentially obtained from the pressure sensor 143 .
  • FIG. 4 is a diagram showing the air pressure time series data D1(t) output by the pressure sensor 143 during normal operation.
  • the precursor detection unit 52 determines that the workpiece W is normally gripped by the workpiece spindle 211 when the air pressure time series data D1(t) exceeds a predetermined threshold value th.
  • the threshold th may be preset by a designer or the like, or may be arbitrarily set by a user.
  • FIG. 5 is a diagram showing the air pressure time series data D2(t) output by the pressure sensor 143 when there is an abnormality.
  • the portent detection unit 52 detects a portent of the work W coming off the work spindle 211 when the time-series data D2(t) of air pressure falls below a predetermined threshold value th, and determines that there is an abnormality.
  • the anomaly is detected based on the fact that the time series data D2(t) remains below a predetermined threshold th for a predetermined period of time or longer.
  • the omen detection unit 52 calculates the degree of similarity between the detected time-series data and the correct time-series data, and determines that the situation is normal when the degree of similarity is greater than a predetermined value.
  • the precursor detection unit 52 determines that there is a gripping abnormality when the degree of similarity is equal to or less than a predetermined value.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining a specific example 2 of processing for detecting a sign that the work W will come off the chuck 213.
  • FIG. 6 The specific example 2 will be described below.
  • the index detection unit 40 includes a camera 145, for example.
  • the camera 145 is provided inside the machine tool 100 so as to include the workpiece spindle 211 in its imaging field of view, and photographs the workpiece W during machining of the workpiece W.
  • the image obtained by photographing the work spindle 211 changes according to the gripping state of the work W with respect to the chuck 213 . Therefore, the index detection unit 40 detects an image obtained by photographing the workpiece spindle 211 as a gripping state index.
  • the sign detection unit 52 compares at least two images sequentially obtained from the camera 145 and detects a sign that the work W will come off the chuck 213 based on the comparison result.
  • an image obtained earlier hereinafter also referred to as a “reference image”
  • an image obtained after the reference image hereinafter also referred to as an “input image” is a gripping abnormality. subject to judgment.
  • the precursor detection unit 52 outputs a photographing instruction to the camera 145 at the same period as the rotation period of the workpiece spindle 211 .
  • the precursor detection unit 52 outputs a photographing instruction to the camera 145 at a cycle obtained by multiplying the rotation cycle of the workpiece spindle 211 by a positive integer multiple.
  • the rotation period of the workpiece spindle 211 is acquired from a machining program for the workpiece W, for example.
  • the precursor detection unit 52 performs predetermined image processing on the reference image and searches for a work portion.
  • Various existing image processing is used for the search processing of the work portion.
  • the work portion is recognized using a trained model.
  • a trained model is generated in advance by a learning process using a learning data set.
  • the learning data set includes a plurality of learning images showing workpieces. Each learning image is associated with a label indicating whether or not a workpiece is shown (or a label indicating the type of workpiece).
  • the internal parameters of the trained model are optimized in advance by learning processing using such a learning data set.
  • CNN convolutional neural network
  • FCN full-layer convolutional neural network
  • support vector machine etc.
  • the precursor detection unit 52 sequentially inputs the partial images within the rectangular area to the learned model while shifting the predetermined rectangular area on the reference image.
  • the trained model outputs the probability that the input partial image includes the workpiece.
  • the portent detection unit 52 recognizes the position of the partial image for which the probability exceeds a predetermined value as the work portion.
  • the precursor detection unit 52 recognizes the work portion from the input image by the same processing as described above. After that, the precursor detection unit 52 calculates the degree of similarity between the work portion in the reference image and the work portion in the input image. The sign detection unit 52 determines that the similarity is normal when the degree of similarity is greater than a predetermined value. On the other hand, the precursor detection unit 52 determines that there is a gripping abnormality when the degree of similarity is equal to or less than a predetermined value.
  • the time-series data to be compared is acquired under the same conditions as when the time-series data of the correct values are acquired.
  • the conditions include, for example, the position of the work spindle 211, the rotational speed of the work spindle 211, and the like.
  • the sign detection unit 52 can compare the images obtained from the camera 145 as they are.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining a specific example 3 of processing for detecting a sign that the work W will come off the chuck 213.
  • FIG. 7 The specific example 3 will be described below.
  • FIG. 7 shows a view showing the chuck 213 from the Y direction.
  • chuck 213 includes hydraulic piston 207, drawbar 208, wedge plunger 209, master jaw 212A, chuck body 212B, and pawl 213A.
  • the hydraulic piston 207 is connected to one end of the drawbar 208.
  • a wedge plunger 209 is connected to the other end of the drawbar 208 .
  • Hydraulic piston 207 , drawbar 208 and wedge plunger 209 are arranged on central axis 201 .
  • FIG. 8 is a diagram showing the wedge plunger 209 from the Z direction.
  • the wedge plunger 209 has a T-shaped guide portion 209A.
  • the wedge plunger 209 is provided with three guide portions 209A.
  • Each of the guide portions 209A is provided at regular intervals in the circumferential direction around the central axis 201 .
  • a master jaw 212A can be fitted to each of the guide portions 209A.
  • the chuck body 212B has a hollow portion.
  • Wedge plunger 209 may be fitted into a hollow portion of chuck body 212B.
  • the wedge plunger 209 is configured to be drivable in the Z direction with respect to the chuck body 212B.
  • the hydraulic piston 207 drives the wedge plunger 209 in the Z direction via the drawbar 208.
  • the master jaw 212A receives force from the wedge plunger 209 and drives in the circumferential direction about the central axis 201 . That is, the force applied by the hydraulic piston 207 in the Z-axis direction is changed in the circumferential direction via the wedge plunger 209 .
  • the pawl 213A fixed to the master jaw 212A is uniformly driven in the diameter-reducing direction and the diameter-expanding direction. As a result, the claws 213A grip and release the work.
  • the index detection unit 40 detects a physical quantity correlated with each position of the claw 213A as a gripping state index.
  • the physical quantities are, for example, the position of the hydraulic piston 207 in the direction parallel to the central axis 201, the position of the drawbar 208 in the direction parallel to the central axis 201, the position of the wedge plunger 209 in the direction parallel to the central axis 201, It includes at least one of the position of the master jaw 212A in the direction orthogonal to the central axis 201 (ie, circumferential direction) and the position of the pawl 213A in the direction orthogonal to the central axis 201 (ie, circumferential direction). These positions are detected by position measuring devices such as scales or proximity sensors, for example.
  • the sign detection unit 52 acquires the sequentially obtained time-series data of the physical quantity as a gripping state index, and determines whether or not there is a sign that the work W will come off the chuck 213 based on the gripping state index. .
  • the index detection unit 40 acquires in advance the time-series data D3(t) of the physical quantity as a correct value. Typically, the time-series data D3(t) is obtained while the work spindle 211 is rotating.
  • the index detection unit 40 acquires the time-series data D4(t') of the physical quantity.
  • the time-series data D4(t') is obtained while the work spindle 211 is rotating.
  • "t'" indicates a time later than "t”.
  • the time-series data D4(t') to be compared is obtained under the same conditions as when the correct-value time-series data D3(t) is obtained.
  • the conditions include, for example, the position of the work spindle 211, the rotational speed of the work spindle 211, and the like.
  • the index detection unit 40 can acquire the time-series data D4(t′) to be compared under the same conditions as the time-series data D3(t) of the correct value.
  • the sign detection unit 52 compares the time-series data D4(t') with the time-series data D3(t). As an example, the sign detection unit 52 calculates the degree of similarity between the time-series data D3(t) and the time-series data D4(t'). The sign detection unit 52 determines that the similarity is normal when the degree of similarity is greater than a predetermined value. On the other hand, the precursor detection unit 52 determines that there is a gripping abnormality when the degree of similarity is equal to or less than a predetermined value.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining a specific example 4 of processing for detecting a sign that the work W will come off the chuck 213.
  • FIG. 9 The specific example 4 will be described below.
  • the index detection unit 40 includes, for example, a servo driver 111, a servo motor 112, and an encoder 113.
  • the control unit 50 controls the servo driver 111 according to the machining program.
  • the servo driver 111 sequentially receives input of the target rotation speed (or target position) from the control unit 50 and controls the servo motor 112 so that the servo motor 112 rotates at the target rotation speed. Thereby, the control unit 50 rotates the work main shaft 211 about the axial direction of the work main shaft 211 .
  • the servo driver 111 calculates the actual rotational speed (or actual position) of the servo motor 112 from the feedback signal of the encoder 113, and if the actual rotational speed is smaller than the target rotational speed, the servo motor 112 is increased, and if the actual rotation speed is higher than the target rotation speed, the rotation speed of the servomotor 112 is decreased. In this way, the servo driver 111 brings the rotation speed of the servo motor 112 closer to the target rotation speed while sequentially receiving the feedback of the rotation speed of the servo motor 112 .
  • the control value for the rotational drive of the work main shaft 211 changes before and after the work W shifts.
  • the control value is acquired by various sensors (acquisition unit).
  • the sensor includes an encoder 113, a sensor that detects a current value output from the servo driver 111, and the like.
  • the precursor detection unit 52 acquires time-series data of the control value from the sensor as a gripping state index, and determines whether or not there is an indication that the workpiece W will come off the chuck 213 based on the gripping state index.
  • the index detection unit 40 acquires the time-series data of the control values in advance as correct values.
  • the index detection unit 40 acquires time-series data of the correct values while the work spindle 211 is rotating.
  • the index detection unit 40 acquires the time-series data of the control values as a comparison target. Typically, the index detection unit 40 acquires the time-series data to be compared while the work spindle 211 is rotating.
  • the time-series data to be compared is acquired under the same conditions as when the time-series data of the correct values are acquired.
  • the conditions include, for example, the position of the work spindle 211, the rotational speed of the work spindle 211, and the like.
  • the index detection unit 40 can acquire the time-series data to be compared under the same conditions as the time-series data of the correct value.
  • the sign detection unit 52 compares the time-series data to be compared with the time-series data of the correct value.
  • the sign detection unit 52 calculates the degree of similarity between the time-series data of the correct control value and the time-series data to be compared with the control value.
  • the sign detection unit 52 determines that the similarity is normal when the degree of similarity is greater than a predetermined value.
  • the precursor detection unit 52 determines that there is a gripping abnormality when the degree of similarity is equal to or less than a predetermined value.
  • FIG. 10 is a schematic diagram showing an example of the hardware configuration of the CNC unit 100A.
  • the CNC unit 100A includes a control circuit 101, a ROM (Read Only Memory) 102, a RAM (Random Access Memory) 103, a communication interface 104, a fieldbus controller 105, and a storage device 120. These components are connected to internal bus 109 .
  • the control circuit 101 is composed of, for example, at least one integrated circuit.
  • Integrated circuits include, for example, at least one CPU (Central Processing Unit), at least one GPU (Graphics Processing Unit), at least one ASIC (Application Specific Integrated Circuit), at least one FPGA (Field Programmable Gate Array), or It can be configured by a combination of
  • the control circuit 101 controls the operation of the CNC unit 100A by executing various programs such as a machining program 122 and a control program 124.
  • the control circuit 101 reads the programs from the storage device 120 or the ROM 102 to the RAM 103 based on receiving execution instructions for various programs.
  • the RAM 103 functions as a working memory and temporarily stores various data necessary for program execution.
  • CNC unit 100A exchanges data with an external device (for example, a server) via communication interface 104 .
  • CNC unit 100A may be configured so that machining program 122 and control program 124 can be downloaded from the external device.
  • the fieldbus controller 105 is an interface for realizing communication with various units connected to the fieldbus. Examples of units connected to the fieldbus include PLCs and I/O units.
  • the storage device 120 is, for example, a storage medium such as a hard disk or flash memory.
  • the storage device 120 stores a machining program 122, a control program 124, various information 126, and the like.
  • the machining program 122 defines various commands for machining the workpiece.
  • the control program 124 is a program for detecting a sign that the workpiece will come off the chuck 213 .
  • Various information 126 includes, for example, a grip state index representing a correct value.
  • the storage locations of the machining program 122, the control program 124, and the various information 126 are not limited to the storage device 120, but include storage areas of the control circuit 101 (eg, cache memory, etc.), ROM 102, RAM 103, external devices (eg, servers). and so on.
  • control program 124 may be provided not as a standalone program but as part of an arbitrary program. In this case, control program 124 cooperates with an arbitrary program to implement various processes according to the present embodiment. Even a program that does not include such a part of modules does not deviate from the gist of control program 124 according to the present embodiment. Furthermore, some or all of the functions provided by control program 124 may be implemented by dedicated hardware. Furthermore, machine tool 100 may be configured in a form such as a so-called cloud service in which at least one server executes part of the processing of control program 124 .
  • FIG. 11 is a flow chart showing part of the processing executed by the control unit 50 of the machine tool 100. As shown in FIG. 11
  • FIG. 11 A part or all of the processing shown in FIG. 11 is implemented in the above control program 222 (see FIG. 10). In other aspects, some or all of the processing shown in FIG. 11 may be implemented in circuit elements or other hardware.
  • step S110 the control unit 50 determines whether lathe machining of the workpiece has started. Whether or not lathe machining of the workpiece has started is determined, for example, based on whether or not a rotation command for the workpiece spindle 211 defined in the machining program 122 has been executed.
  • control unit 50 determines that the lathe machining of the workpiece has started (YES in step S110), it switches control to step S112. Otherwise (NO in step S110), control unit 50 executes the process of step S110 again.
  • step S112 the control unit 50 functions as the above-described precursor detection unit 52 (see FIG. 2) and detects an index representing the gripping state of the workpiece W with respect to the chuck 213 (that is, gripping state index). Since the grip state index is as described above, the description thereof will not be repeated.
  • step S120 the control unit 50 functions as the precursor detection unit 52 described above, and determines whether or not there is an indication that the workpiece will come off the chuck 213 based on the gripping state index acquired in step S112. Since the method for detecting the sign is as described above, the description thereof will not be repeated. If control unit 50 determines that there is a sign that the workpiece will come off from chuck 213 (YES in step S120), it switches control to step S122. Otherwise (NO in step S120), control unit 50 returns the control to step S112.
  • step S122 the control unit 50 functions as the above-described abnormality processing unit 54 (see FIG. 2), and performs predetermined abnormality handling processing.
  • the controller 50 makes the gripping force of the chuck 213 stronger than at present.
  • the control unit 50 stops rotating the work spindle 211 .
  • the control unit 50 makes the workpiece gripping force of the chuck 213 stronger than at present, and stops the rotational driving of the workpiece spindle 211 .
  • index detection unit 50 control unit, 52 precursor detection unit, 54 abnormality processing unit, 100 machine tool, 100A CNC unit, 101 control circuit, 102 ROM, 103 RAM, 104 communication interface, 105 fieldbus controller, 109 internal bus, 111 servo driver, 112 servo motor, 113 encoder, 120 storage device, 122 machining program, 124, 222 control program, 126 various information, 141 air device, 142 air supply path, 143 pressure sensor, 145 camera, 146 distance sensor, 200 Machining area, 201, 202, 203, 204, 206 Center axis, 210 Splash guard, 211 Work spindle, 213, 218 Chuck, 213A, 218A Claw, 214 Air hole, 216 Opposing work spindle, 221 Tool spindle, 223 Spindle end surface, 231 turret, 232 revolving part, 236 bed.

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Abstract

ワークがワーク主軸から外れる前兆を検出するための技術を提供する。工作機械は、ワークを把持するためのチャックを有するワーク主軸を備える。ワーク主軸は、チャックでワークを固定した状態で、ワーク主軸の軸方向を中心として、ワークを回転可能に構成されている。チャックに対するワークの把持状態を表わす指標を検出するための検出部と、工作機械を制御するための制御部とを備える。制御部は、検出部によって検出された指標に基づいて、ワークがチャックから外れる前兆を検出する処理と、前兆が検出された場合に、予め定められた異常対処処理を実施する処理とを実行する。

Description

工作機械、工作機械の制御方法、および工作機械の制御プログラム
　本開示は、ワーク主軸を備える工作機械を制御するための技術に関する。
　旋盤などの工作機械は、ワーク主軸を回転しながらワークに工具を当てることでワークを加工する。このとき、ワーク主軸によるワークのチャック圧が大きすぎるとワークが変形してしまう。一方で、ワーク主軸によるワークのチャック圧が小さすぎると、ワークがワーク主軸から外れてしまう。そのため、ワークのチャック圧は、適切に制御される必要がある。
　チャック圧を制御するための技術に関し、特開平１０－１１８８９２号公報（特許文献１）は、ワークの回転開始時には低い圧力でワークを保持し、ワークの切削時には高い圧力でワークを保持する工作機械を開示している。
特開平１０－１１８８９２号公報
　ワークが加工中にワーク主軸から外れることは、未然に防がれる必要がある。特許文献１に開示される工作機械は、ワークがワーク主軸から外れることを未然に防ぐことを目的とするものではない。このような点に鑑み、ワークがワーク主軸から外れる前兆を検出するための技術が望まれている。
　本開示の一例では、工作機械は、ワークを把持するためのチャックを有するワーク主軸を備える。上記ワーク主軸は、上記チャックで上記ワークを固定した状態で、上記ワーク主軸の軸方向を中心として、上記ワークを回転可能に構成されている。上記工作機械は、は、上記チャックに対する上記ワークの把持状態を表わす指標を検出するための検出部と、上記工作機械を制御するための制御部とを備える。上記制御部は、上記検出部によって検出された上記指標に基づいて、上記ワークが上記チャックから外れる前兆を検出する処理と、上記前兆が検出された場合に、予め定められた異常対処処理を実施する処理とを実行する。
　本開示の一例では、上記予め定められた異常対処処理は、上記チャックによる上記ワークの把持力を上記前兆が検出される前よりも強くする処理を含む。
　本開示の一例では、上記予め定められた異常対処処理は、上記ワーク主軸の回転駆動を停止する処理を含む。
　本開示の一例では、上記ワーク主軸と上記ワークとの接着面には、空気孔が設けられている。上記検出部は、上記空気孔に接続され給気路と、上記給気路内における空気圧を検出するための圧力センサとを含む。上記指標は、上記空気圧を含む。上記前兆を検出する処理は、上記圧力センサから順次得られた上記空気圧の時系列データに基づいて、上記前兆が生じているか否かを判断する処理を含む。
　本開示の一例では、上記検出部は、上記チャックに把持されるワークを撮影するためのカメラを含む。上記指標は、上記カメラから得られる画像を含む。上記前兆を検出する処理は、上記ワーク主軸の回転周期と同周期で上記カメラに撮影指示を出力する処理と、上記撮影指示により得られた少なくとも２つの画像の比較結果に基づいて、上記前兆が生じているか否かを判断する処理とを含む。
　本開示の一例では、上記チャックには、上記ワークを把持するための複数の爪が設けられている。上記検出部は、上記複数の爪の各々の位置に相関する物理量を検出する。上記指標は、上記物理量を含む。上記前兆を検出する処理は、上記物理量の時系列データに基づいて、上記前兆が生じているか否かを判断する処理を含む。
　本開示の一例では、上記検出部は、上記ワーク主軸の回転駆動に関する制御値を取得するための取得部を含む。上記指標は、上記制御値を含む。上記前兆を検出する処理は、上記取得部から順次得られた上記制御値の時系列データに基づいて、上記前兆が生じているか否かを判断する処理を含む。
　本開示の他の例では、工作機械の制御方法が提供される。上記工作機械は、ワークを把持するためのチャックを有するワーク主軸を備える。上記ワーク主軸は、上記チャックで上記ワークを固定した状態で、上記ワーク主軸の軸方向を中心として、上記ワークを回転可能に構成されている。上記制御方法は、上記チャックに対する上記ワークの把持状態を表わす指標を検出するステップと、上記指標に基づいて、上記ワークが上記チャックから外れる前兆を検出するステップと、上記前兆が検出された場合に、予め定められた異常対処処理を実施するステップとを実行する。
　本開示の他の例では、工作機械の制御プログラムが提供される。上記工作機械は、ワークを把持するためのチャックを有するワーク主軸を備える。上記ワーク主軸は、上記チャックで上記ワークを固定した状態で、上記ワーク主軸の軸方向を中心として、上記ワークを回転可能に構成されている。上記制御プログラムは、上記工作機械に、上記チャックに対する上記ワークの把持状態を表わす指標を検出するステップと、上記指標に基づいて、上記ワークが上記チャックから外れる前兆を検出するステップと、上記前兆が検出された場合に、予め定められた異常対処処理を実施するステップとを実行する。
　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。
工作機械の内部を示す図である。 工作機械の構成の一例を示す図である。 ワークがチャックから外れる前兆を検出する処理の具体例１を説明するための図である。 圧力センサによって正常時に出力される空気圧の時系列データを示す図である。 圧力センサによって異常時に出力される空気圧の時系列データを示す図である。 ワークがチャックから外れる前兆を検出する処理の具体例２を説明するための図である。 ワークがチャックから外れる前兆を検出する処理の具体例３を説明するための図である。 ウェッジプランジャをＺ方向から表した図である。 ワークがチャックから外れる前兆を検出する処理の具体例４を説明するための図である。 ＣＮＣ（Computerized　Numerical　Control）ユニットのハードウェア構成の一例を示す模式図である。 工作機械の制御部が実行する処理の一部を示すフローチャートである。
　以下、図面を参照しつつ、本発明に従う各実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品および構成要素には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、これらについての詳細な説明は繰り返さない。なお、以下で説明される各実施の形態および各変形例は、適宜選択的に組み合わされてもよい。
　＜Ａ．工作機械１００＞
　まず、図１を参照して、工作機械１００の内部構成について説明する。図１は、工作機械１００の内部を示す図である。
　工作機械１００は、被加工物であるワークを回転させながら当該ワークに工具を当てることでワークを加工する。一例として、工作機械１００は、旋盤であってもよいし、ターニングセンタであってもよい。
　説明の便宜のために、以下では、重力方向を「Ｘ軸方向」とも称する。Ｘ軸に直交する水平面上の一方向を「Ｙ軸方向」とも称する。Ｘ軸方向およびＹ軸方向の両方に直交する方向を「Ｚ軸方向」と称する。図１の例では、Ｚ軸方向は、紙面左右方向に相当する。
　図１に示されるように、工作機械１００は、ワーク主軸２１１と、対向ワーク主軸２１６と、工具主軸２２１と、刃物台２３１と、ベッド２３６とを有する。
　ベッド２３６は、ワーク主軸２１１、対向ワーク主軸２１６、工具主軸２２１、および刃物台２３１などを支持するためのベース部材であり、工場などの床面に設置されている。ベッド２３６は、鋳鉄などの金属から形成されている。
　ワーク主軸２１１および対向ワーク主軸２１６は、ワークＷを保持可能なように構成されている。ワーク主軸２１１および対向ワーク主軸２１６は、Ｚ軸方向において、互いに対向して設けられている。ワーク主軸２１１および対向ワーク主軸２１６は、主に、固定工具を用いた旋削加工時にワークＷを回転させるために設けられている。ワーク主軸２１１は、Ｚ軸に平行な中心軸２０１を中心に回転可能なように設けられている。対向ワーク主軸２１６は、Ｚ軸に平行な中心軸２０２を中心に回転可能なように設けられている。ワーク主軸２１１および対向ワーク主軸２１６には、それぞれ、ワークＷを着脱可能なように把持するためのチャック２１３，２１８が設けられている。
　チャック２１３は、複数の爪２１３Ａを有する。爪２１３Ａの各々は、チャック２１３とワークＷとの接続面において周方向に配列される。また、チャック２１３には、油圧シリンダ（図示しない）が接続される。工作機械１００は、油圧弁を介して油圧シリンダを制御することで、油圧により縮径方向および拡径方向に爪２１３Ａを一様に動作させる。これにより、チャック２１３は、ワークＷを把持したり、解放したりする。
　ワーク主軸２１１は、ベッド２３６上において固定されている。対向ワーク主軸２１６は、各種の送り機構、案内機構およびサーボモータなどによって、Ｚ軸方向に移動可能なように設けられている。
　チャック２１８は、複数の爪２１８Ａを有する。爪２１８Ａの各々は、チャック２１８とワークＷとの接続面において周方向に配列される。また、チャック２１８には、油圧シリンダ（図示しない）が接続される。工作機械１００は、油圧弁を介して油圧シリンダを制御することで、油圧により縮径方向および拡径方向に爪２１８Ａを一様に動作させる。これにより、チャック２１８は、ワークＷを把持したり、解放したりする。
　工具主軸２２１および刃物台２３１は、ワークＷを切削する工具を保持可能なように構成されている。工具主軸２２１は、刃物台２３１よりも上方に設けられている。
　工具主軸２２１は、鉛直方向に延びるＸ軸方向に平行な中心軸２０３を中心に回転可能に設けられている。工具主軸２２１には、工具を着脱可能に保持するためのクランプ機構（不図示）が設けられている。
　工具主軸２２１は、さらに、水平方向に延び、Ｚ軸方向に直交するＹ軸に平行な中心軸２０４を中心に旋回可能に設けられている（Ｂ軸旋回）。工具主軸２２１の旋回範囲は、たとえば、工具主軸２２１の主軸端面２２３が下方を向く姿勢（図１中に示す姿勢）を基準にして±１２０°の範囲である。
　工具主軸２２１は、図示しないコラムなどによりベッド２３６上に支持されている。工具主軸２２１は、コラムなどに設けられた各種の送り機構、案内機構およびサーボモータなどによって、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向に移動可能に設けられている。
　刃物台２３１は、いわゆるタレット形であり、複数の工具が放射状に取り付けられ、旋回割り出しを行なう。
　より具体的には、刃物台２３１は、旋回部２３２を有する。旋回部２３２は、Ｚ軸に平行な中心軸２０６を中心に旋回可能に設けられている。中心軸２０６を中心にその周方向に間隔を隔てた位置には、工具を保持するための工具ホルダが取り付けられている。旋回部２３２が中心軸２０６を中心に旋回することによって、工具ホルダに保持された工具が周方向に移動し、ワーク加工に用いられる工具が割り出される。
　刃物台２３１は、図示しないサドルなどによりベッド２３６上に支持されている。刃物台２３１は、サドルなどに設けられた各種の送り機構、案内機構およびサーボモータなどによって、Ｘ軸方向とＺ軸方向とに移動可能に設けられている。なお、刃物台２３１は、Ｚ軸方向と、Ｚ軸方向に直交し、鉛直方向成分を含む斜め上下方向とに移動可能に設けられてもよい。この場合に、刃物台２３１は、Ｙ軸方向と、Ｘ軸方向とに同時に送られることによって、Ｚ軸方向に直交し、鉛直方向成分を含む斜め上下方向に移動する構成であってもよい。
　工具主軸２２１および刃物台２３１の各々には、回転工具が保持されてもよいし、固定工具が保持されてもよい。回転工具は、回転しながらワークＷを加工する工具であり、ドリル、エンドミルまたはリーマなどである。刃物台２３１に回転工具を保持する場合、刃物台２３１には、回転を出力するモータと、モータから出力された回転を回転工具に伝達する動力伝達機構とが内蔵される。
　工作機械１００は、スプラッシュガード２１０をさらに有する。スプラッシュガード２１０は、工作機械１００の外観をなすとともに、ワークＷの加工エリア２００を区画形成している。
　＜Ｂ．前兆検出処理の概要＞
　工作機械１００は、ワークＷの加工中においてワークＷがチャック２１３から外れる前兆を検出する。以下では、図２を参照して、当該検出処理について説明する。
　図２は、工作機械１００の構成の一例を示す図である。工作機械１００は、ハードウェア構成として、指標検出部４０と、制御部５０とを含む。
　指標検出部４０は、チャック２１３に対するワークＷの把持状態を表わす指標（以下、「把持状態指標」ともいう。）を検出する。把持状態指標は、チャック２１３に対するワークＷの把持状態に応じて変化する種々の指標を含み得る概念である。把持状態指標の具体例については後述する。
　制御部５０は、工作機械１００を制御する。制御部５０は、機能構成として、前兆検出部５２と、異常処理部５４とを含む。前兆検出部５２は、指標検出部４０によって検出された把持状態指標に基づいて、ワークＷがチャック２１３から外れる前兆を検出する。
　異常処理部５４は、ワークＷがチャック２１３から外れる前兆を前兆検出部５２が検出した場合に、予め定められた異常対処処理を実施する。これにより、異常処理部５４は、加工中にワークＷがワーク主軸２１１から外れることを防止する。
　ある局面において、異常処理部５４は、ワークＷがチャック２１３から外れる前兆が前兆検出部５２によって検出された場合に、チャック２１３によるワークＷの把持力を当該前兆が検出される前よりも強くする。ワークＷの把持力の制御は、たとえば、チャック２１３の各々に接続されている油圧弁（図示しない）を介して実現される。当該把持力は、たとえば、設定可能範囲内の最大値に設定される。これにより、異常処理部５４は、ワーク主軸２１１からワークＷが飛ぶことを防止できる。
　他の局面において、異常処理部５４は、ワークＷがチャック２１３から外れる前兆が前兆検出部５２によって検出された場合に、ワーク主軸２１１の回転駆動を停止する。これにより、異常処理部５４は、ワーク主軸２１１からワークＷが飛ぶことを防止できる。
　なお、異常処理部５４は、上記前兆がされた際に、ワークＷの把持力を強くする処理と、ワーク主軸２１１の回転駆動を停止する処理との両方を実行してもよいし、いずれか一方の処理を実行してもよい。
　＜Ｃ．前兆検出処理の具体例１＞
　図３は、ワークＷがチャック２１３から外れる前兆を検出する処理の具体例１を説明するための図である。以下では、当該具体例１について説明する。
　図３を参照して、指標検出部４０は、たとえば、エアー機器１４１と、給気路１４２と、圧力センサ１４３とを含む。
　エアー機器１４１は、たとえば、空気のコンプレッサおよびバルブなどで構成される。エアー機器１４１は、給気路１４２の一端に繋がれている。給気路１４２の他端は、ワーク主軸２１１に形成される空気孔２１４の一端に繋がれている。空気孔２１４の他端は、ワーク主軸２１１とワークＷとの接着面ＳＦに繋がっている。このように、接着面ＳＦには、空気孔２１４が設けられる。これにより、エアー機器１４１から圧送された空気は、給気路１４２を通過して、空気孔２１４から出力される。
　圧力センサ１４３は、給気路１４２に設けられ、給気路１４２内における空気圧を検出する。ワークＷがワーク主軸２１１に正常に装着されている場合には、給気路１４２内の気圧が高くなる。一方で、ワークＷがワーク主軸２１１から外れそうな場合には、空気がワークＷとワーク主軸２１１との間から漏れ、給気路１４２内の気圧が低くなる。このように、圧力センサ１４３によって検出される空気圧は、チャック２１３に対するワークＷの把持状態に応じて変わる。そこで、指標検出部４０は、圧力センサ１４３によって検出された空気圧を把持状態指標として検出する。
　一例として、前兆検出部５２は、圧力センサ１４３から順次得られた空気圧の時系列データに基づいて、ワークＷがチャック２１３から外れる前兆を検出する。
　図４は、圧力センサ１４３によって正常時に出力される空気圧の時系列データＤ１（ｔ）を示す図である。前兆検出部５２は、空気圧の時系列データＤ１（ｔ）が所定の閾値ｔｈを超えている場合に、ワークＷがワーク主軸２１１に正常に把持されていると判断する。閾値ｔｈは、設計者などによって予め設定されていてもよいし、ユーザによって任意に設定されてもよい。
　図５は、圧力センサ１４３によって異常時に出力される空気圧の時系列データＤ２（ｔ）を示す図である。前兆検出部５２は、空気圧の時系列データＤ２（ｔ）が所定の閾値ｔｈを下回った場合に、ワークＷがワーク主軸２１１から外れる前兆を検出し、異常と判断する。好ましくは、当該異常は、時系列データＤ２（ｔ）が所定の閾値ｔｈを下回っている時間が所定時間以上継続したことに基づいて検出される。
　なお、上述では、空気圧の時系列データＤ１（ｔ），Ｄ２（ｔ）と、閾値ｔｈとを比較する例について説明を行ったが、空気圧の時系列データＤ１（ｔ），Ｄ２（ｔ）は、予め準備されている正解の時系列データと比較されてもよい。この場合、前兆検出部５２は、検出された時系列データと、正解の時系列データとの類似度を算出し、当該類似度が所定値よりも大きい場合に正常と判断する。一方で、前兆検出部５２は、当該類似度が所定値以下である場合に把持異常と判断する。
　＜Ｄ．前兆検出処理の具体例２＞
　図６は、ワークＷがチャック２１３から外れる前兆を検出する処理の具体例２を説明するための図である。以下では、当該具体例２について説明する。
　図６を参照して、指標検出部４０は、たとえば、カメラ１４５を含む。カメラ１４５は、ワーク主軸２１１を撮影視野に含むように工作機械１００内に設けられ、ワークＷの加工中においてワークＷを撮影する。ワーク主軸２１１を撮影して得られた画像は、チャック２１３に対するワークＷの把持状態に応じて変わる。そこで、指標検出部４０は、ワーク主軸２１１を撮影して得られた画像を把持状態指標として検出する。
　ワークＷがワーク主軸２１１に対してずれた場合には、ワークＷがずれる前後で画像内に写る工具の表示態様が変化する。そこで、前兆検出部５２は、カメラ１４５から順次得られた画像の少なくとも２つを比較し、当該比較結果に基づいて、ワークＷがチャック２１３から外れる前兆を検出する。このとき、より前に得られた画像（以下、「基準画像」ともいう。）が正解の基準となり、基準画像よりも後に得られた画像（以下、「入力画像」ともいう。）が把持異常の判断対象となる。
　好ましくは、前兆検出部５２は、ワーク主軸２１１の回転周期と同周期でカメラ１４５に撮影指示を出力する。あるいは、前兆検出部５２は、ワーク主軸２１１の回転周期に正の整数倍を乗算した周期でカメラ１４５に撮影指示を出力する。これにより、ワーク主軸２１１およびワークＷは、常に同じ方向から撮影される。ワーク主軸２１１の回転周期は、たとえば、ワークＷの加工プログラムなどから取得される。
　より具体的な処理として、前兆検出部５２は、基準画像に対して所定の画像処理を実行し、ワーク部分をサーチする。当該ワーク部分のサーチ処理には、既存の種々の画像処理が用いられる。一例として、当該ワーク部分は、学習済みモデルを用いて認識される。学習済みモデルは、学習用データセットを用いた学習処理により予め生成されている。学習用データセットは、ワークが写っている複数の学習用画像を含む。各学習用画像には、ワークが写っているか否かを示すラベル（あるいは、ワークの種別を示すラベル）が関連付けられる。学習済みモデルの内部パラメータは、このような学習用データセットを用いた学習処理により予め最適化されている。
　学習済みモデルを生成するための学習手法には、種々の機械学習アルゴリズムが採用され得る。一例として、当該機械学習アルゴリズムとして、ディープラーニング、コンボリューションニューラルネットワーク（ＣＮＮ）、全層畳み込みニューラルネットワーク（ＦＣＮ）、サポートベクターマシンなどが採用される。
　前兆検出部５２は、所定の矩形領域を基準画像上でずらしながら当該矩形領域内の部分画像を学習済モデルに順次入力する。その結果、当該学習済モデルは、入力された部分画像にワークが含まれている確率を出力する。前兆検出部５２は、当該確率が所定値を超えた部分画像の位置を当該ワーク部分として認識する。
　次に、前兆検出部５２は、上述と同様の処理により、入力画像からワーク部分を認識する。その後、前兆検出部５２は、基準画像内のワーク部分と、入力画像内のワーク部分との類似度を算出する。前兆検出部５２は、当該類似度が所定値よりも大きい場合に正常と判断する。一方で、前兆検出部５２は、当該類似度が所定値以下である場合に把持異常と判断する。
　好ましくは、比較対象の時系列データは、正解値の時系列データの取得時と同じ条件下で取得される。当該条件は、たとえば、ワーク主軸２１１の位置、またはワーク主軸２１１の回転速度などを含む。これにより、画像内におけるワークＷの位置が常に同じになり、上述のワーク部分を認識する処理が必要なくなる。この場合、前兆検出部５２は、カメラ１４５から得られた画像同士をそのまま比較することが可能になる。
　＜Ｅ．前兆検出処理の具体例３＞
　図７は、ワークＷがチャック２１３から外れる前兆を検出する処理の具体例３を説明するための図である。以下では、当該具体例３について説明する。
　図７には、Ｙ方向からチャック２１３を示す図が示されている。図７に示されるように、チャック２１３は、油圧ピストン２０７と、ドローバー２０８と、ウェッジプランジャ２０９と、マスタージョ２１２Ａと、チャックボディ２１２Ｂと、爪２１３Ａとを含む。
　油圧ピストン２０７は、ドローバー２０８の一端に繋がっている。ドローバー２０８の他端にはウェッジプランジャ２０９が繋がっている。油圧ピストン２０７、ドローバー２０８、およびウェッジプランジャ２０９は、中心軸２０１上に配置されている。
　図８は、ウェッジプランジャ２０９をＺ方向から表した図である。図８に示されるように、ウェッジプランジャ２０９は、Ｔ字型のガイド部２０９Ａを有する。図８の例では、３つのガイド部２０９Ａがウェッジプランジャ２０９に設けられている。ガイド部２０９Ａの各々は、中心軸２０１を中心とする周方向において等間隔に設けられている。ガイド部２０９Ａの各々には、マスタージョ２１２Ａが嵌められ得る。
　チャックボディ２１２Ｂは、中空部分を有する。ウェッジプランジャ２０９は、チャックボディ２１２Ｂの中空部分に嵌められ得る。ウェッジプランジャ２０９は、チャックボディ２１２Ｂに対してＺ方向に駆動可能に構成される。
　油圧ピストン２０７は、ドローバー２０８を介してウェッジプランジャ２０９をＺ方向に駆動する。これにより、マスタージョ２１２Ａは、ウェッジプランジャ２０９から力を受けて、中心軸２０１を中心とする周方向において駆動する。すなわち、油圧ピストン２０７によってＺ軸方向に加えられた力は、ウェッジプランジャ２０９を介して周方向に変えられる。その結果、マスタージョ２１２Ａに固定される爪２１３Ａは、縮径方向および拡径方向に一様に駆動される。これにより、爪２１３Ａは、ワークを把持したり、ワークを解放したりする。
　本具体例においては、指標検出部４０は、爪２１３Ａの各々の位置に相関する物理量を把持状態指標として検出する。当該物理量は、たとえば、中心軸２０１に平行な方向における油圧ピストン２０７の位置と、中心軸２０１に平行な方向におけるドローバー２０８の位置と、中心軸２０１に平行な方向におけるウェッジプランジャ２０９の位置と、中心軸２０１に直交する方向（すなわち、周方向）におけるマスタージョ２１２Ａの位置と、中心軸２０１に直交する方向（すなわち、周方向）における爪２１３Ａの位置との少なくとも１つを含む。これらの位置は、たとえば、スケールまたは近接センサなどの位置測定装置により検出される。
　ワークＷがワーク主軸２１１に対してずれた場合には、ワークＷがずれる前後で上記物理量が変化する。そこで、前兆検出部５２は、順次得られる上記物理量の時系列データを把持状態指標として取得し、当該把持状態指標に基づいて、ワークＷがチャック２１３から外れる前兆が生じているか否かを判断する。
　指標検出部４０は、上記物理量の時系列データＤ３（ｔ）を正解値として予め取得しておく。典型的には、時系列データＤ３（ｔ）は、ワーク主軸２１１の回転中に取得される。
　その後、指標検出部４０は、上記物理量の時系列データＤ４（ｔ’）を取得する。典型的には、時系列データＤ４（ｔ’）は、ワーク主軸２１１の回転中に取得される。「ｔ’」は、「ｔ」よりも後の時刻を示す。
　好ましくは、比較対象の時系列データＤ４（ｔ’）は、正解値の時系列データＤ３（ｔ）の取得時と同じ条件下で取得される。当該条件は、たとえば、ワーク主軸２１１の位置、またはワーク主軸２１１の回転速度などを含む。これにより、指標検出部４０は、正解値の時系列データＤ３（ｔ）と同じ条件下で比較対象の時系列データＤ４（ｔ’）を取得することができる。
　次に、前兆検出部５２は、時系列データＤ４（ｔ’）を時系列データＤ３（ｔ）と比較する。一例として、前兆検出部５２は、時系列データＤ３（ｔ）と時系列データＤ４（ｔ’）との類似度を算出する。前兆検出部５２は、当該類似度が所定値よりも大きい場合に正常と判断する。一方で、前兆検出部５２は、当該類似度が所定値以下である場合に把持異常と判断する。
　＜Ｆ．前兆検出処理の具体例４＞
　図９は、ワークＷがチャック２１３から外れる前兆を検出する処理の具体例４を説明するための図である。以下では、当該具体例４について説明する。
　指標検出部４０は、たとえば、サーボドライバ１１１と、サーボモータ１１２と、エンコーダ１１３とを含む。
　制御部５０は、加工プログラムに従ってサーボドライバ１１１を制御する。サーボドライバ１１１は、制御部５０から目標回転速度（または目標位置）の入力を逐次的に受け、サーボモータ１１２が目標回転速度で回転するようにサーボモータ１１２を制御する。これにより、制御部５０は、ワーク主軸２１１の軸方向を中心としてワーク主軸２１１を回転する。
　より具体的には、サーボドライバ１１１は、エンコーダ１１３のフィードバック信号からサーボモータ１１２の実回転速度（または実位置）を算出し、当該実回転速度が目標回転速度よりも小さい場合にはサーボモータ１１２の回転速度を上げ、当該実回転速度が目標回転速度よりも大きい場合にはサーボモータ１１２の回転速度を下げる。このように、サーボドライバ１１１は、サーボモータ１１２の回転速度のフィードバックを逐次的に受けながらサーボモータ１１２の回転速度を目標回転速度に近付ける。
　ワークＷがワーク主軸２１１に対してずれた場合には、ワークＷがずれる前後で、ワーク主軸２１１の回転駆動に関する制御値が変化する。当該制御値は、各種センサー（取得部）によって取得される。当該センサは、エンコーダ１１３、サーボドライバ１１１から出力される電流値を検出するセンサなどを含む。前兆検出部５２は、当該制御値の時系列データを把持状態指標として当該センサから取得し、当該把持状態指標に基づいて、ワークＷがチャック２１３から外れる前兆が生じているか否かを判断する。
　一例として、指標検出部４０は、上記制御値の時系列データを正解値として予め取得しておく。典型的には、指標検出部４０は、ワーク主軸２１１の回転中に当該正解値の時系列データを取得する。
　その後、指標検出部４０は、上記制御値の時系列データを比較対象として取得する。典型的には、指標検出部４０は、ワーク主軸２１１の回転中に当該比較対象の時系列データを取得する。
　好ましくは、比較対象の時系列データは、正解値の時系列データの取得時と同じ条件下で取得される。当該条件は、たとえば、ワーク主軸２１１の位置、またはワーク主軸２１１の回転速度などを含む。これにより、指標検出部４０は、正解値の時系列データと同じ条件下で比較対象の時系列データを取得することができる。
　次に、前兆検出部５２は、比較対象の時系列データを正解値の時系列データと比較する。一例として、前兆検出部５２は、上記制御値の正解値の時系列データと、上記制御値の比較対象の時系列データとの類似度を算出する。前兆検出部５２は、当該類似度が所定値よりも大きい場合に正常と判断する。一方で、前兆検出部５２は、当該類似度が所定値以下である場合に把持異常と判断する。
　＜Ｇ．ＣＮＣユニット１００Ａのハードウェア構成＞
　次に、図１０を参照して、制御部５０の一例であるＣＮＣユニット１００Ａのハードウェア構成について説明する。図１０は、ＣＮＣユニット１００Ａのハードウェア構成の一例を示す模式図である。
　ＣＮＣユニット１００Ａは、制御回路１０１と、ＲＯＭ（Read　Only　Memory）１０２と、ＲＡＭ（Random　Access　Memory）１０３と、通信インターフェイス１０４と、フィールドバスコントローラ１０５と、記憶装置１２０とを含む。これらのコンポーネントは、内部バス１０９に接続される。
　制御回路１０１は、たとえば、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ＧＰＵ（Graphics　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得る。
　制御回路１０１は、加工プログラム１２２および制御プログラム１２４などの各種プログラムを実行することでＣＮＣユニット１００Ａの動作を制御する。制御回路１０１は、各種プログラムの実行命令を受け付けたことに基づいて、記憶装置１２０またはＲＯＭ１０２からＲＡＭ１０３にプログラムを読み出す。ＲＡＭ１０３は、ワーキングメモリとして機能し、プログラム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。ＣＮＣユニット１００Ａは、通信インターフェイス１０４を介して外部機器（たとえば、サーバー）とデータをやり取りする。ＣＮＣユニット１００Ａは、加工プログラム１２２および制御プログラム１２４を当該外部機器からダウンロードできるように構成されてもよい。
　フィールドバスコントローラ１０５は、フィールドバスに接続される各種ユニットとの通信を実現するためのインターフェイスである。当該フィールドバスに接続されるユニットの一例として、ＰＬＣやＩ／Ｏユニットなどが挙げられる。
　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、加工プログラム１２２、制御プログラム１２４、および各種情報１２６などを格納する。
　加工プログラム１２２は、ワークの加工を実現するための各種命令を規定している。制御プログラム１２４は、ワークがチャック２１３から外れる前兆を検出するためのプログラムである。各種情報１２６は、たとえば、正解値を表わす把持状態指標などを含む。
　加工プログラム１２２、制御プログラム１２４、および各種情報１２６の格納場所は、記憶装置１２０に限定されず、制御回路１０１の記憶領域（たとえば、キャッシュメモリなど）、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。
　なお、制御プログラム１２４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、制御プログラム１２４は、任意のプログラムと協働して、本実施の形態に従う各種処理を実現する。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制御プログラム１２４の趣旨を逸脱するものではない。さらに、制御プログラム１２４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つのサーバーが制御プログラム１２４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．工作機械１００の制御フロー＞
　次に、図１１を参照して、工作機械１００の制御構造について説明する。図１１は、工作機械１００の制御部５０が実行する処理の一部を示すフローチャートである。
　図１１に示される処理の一部または全部は、上述の制御プログラム２２２（図１０参照）に実装される。他の局面において、図１１に示される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実装されてもよい。
　ステップＳ１１０において、制御部５０は、ワークの旋盤加工が開始されたか否かを判断する。ワークの旋盤加工が開始されたか否かは、たとえば、加工プログラム１２２に規定されるワーク主軸２１１の回転命令が実行されたか否かに基づいて判断される。制御部５０は、ワークの旋盤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）、制御部５０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、制御部５０は、上述の前兆検出部５２（図２参照）として機能し、チャック２１３に対するワークＷの把持状態を表わす指標（すなわち、把持状態指標）を検出する。把持状態指標については上述の通りであるので、その説明については繰り返さない。
　ステップＳ１２０において、制御部５０は、上述の前兆検出部５２として機能し、ステップＳ１１２で取得した把持状態指標に基づいて、ワークがチャック２１３から外れる前兆が生じているか否かを判断する。当該前兆の検出方法については上述の通りであるので、その説明については繰り返さない。制御部５０は、ワークがチャック２１３から外れる前兆が生じていると判断した場合（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）、制御部５０は、制御をステップＳ１１２に戻す。
　ステップＳ１２２において、制御部５０は、上述の異常処理部５４（図２参照）として機能し、予め定められた異常対処処理を実施する。一例として、制御部５０は、チャック２１３によるワークの把持力を現在よりも強くする。あるいは、制御部５０は、ワーク主軸２１１の回転駆動を停止する。あるいは、制御部５０は、チャック２１３によるワークの把持力を現在よりも強くするとともに、ワーク主軸２１１の回転駆動を停止する。
　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請求の範囲によって示され、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。
　４０　指標検出部、５０　制御部、５２　前兆検出部、５４　異常処理部、１００　工作機械、１００Ａ　ＣＮＣユニット、１０１　制御回路、１０２　ＲＯＭ、１０３　ＲＡＭ、１０４　通信インターフェイス、１０５　フィールドバスコントローラ、１０９　内部バス、１１１　サーボドライバ、１１２　サーボモータ、１１３　エンコーダ、１２０　記憶装置、１２２　加工プログラム、１２４，２２２　制御プログラム、１２６　各種情報、１４１　エアー機器、１４２　給気路、１４３　圧力センサ、１４５　カメラ、１４６　距離センサ、２００　加工エリア、２０１，２０２，２０３，２０４，２０６　中心軸、２１０　スプラッシュガード、２１１　ワーク主軸、２１３，２１８　チャック、２１３Ａ，２１８Ａ　爪、２１４　空気孔、２１６　対向ワーク主軸、２２１　工具主軸、２２３　主軸端面、２３１　刃物台、２３２　旋回部、２３６　ベッド。

Claims (9)

  1. 　工作機械であって、
    　ワークを把持するためのチャックを有するワーク主軸を備え、前記ワーク主軸は、前記チャックで前記ワークを固定した状態で、前記ワーク主軸の軸方向を中心として、前記ワークを回転可能に構成されており、
    　前記チャックに対する前記ワークの把持状態を表わす指標を検出するための検出部と、
    　前記工作機械を制御するための制御部とを備え、
    　前記制御部は、
    　　前記検出部によって検出された前記指標に基づいて、前記ワークが前記チャックから外れる前兆を検出する処理と、
    　　前記前兆が検出された場合に、予め定められた異常対処処理を実施する処理とを実行する、工作機械。
  2. 　前記予め定められた異常対処処理は、前記チャックによる前記ワークの把持力を前記前兆が検出される前よりも強くする処理を含む、請求項１に記載の工作機械。
  3. 　前記予め定められた異常対処処理は、前記ワーク主軸の回転駆動を停止する処理を含む、請求項１または２に記載の工作機械。
  4. 　前記ワーク主軸と前記ワークとの接着面には、空気孔が設けられており、
    　前記検出部は、
    　　前記空気孔に接続され給気路と、
    　　前記給気路内における空気圧を検出するための圧力センサとを含み、
    　前記指標は、前記空気圧を含み、
    　前記前兆を検出する処理は、前記圧力センサから順次得られた前記空気圧の時系列データに基づいて、前記前兆が生じているか否かを判断する処理を含む、請求項１～３のいずれか１項に記載の工作機械。
  5. 　前記検出部は、前記チャックに把持されるワークを撮影するためのカメラを含み、
    　前記指標は、前記カメラから得られる画像を含み、
    　前記前兆を検出する処理は、
    　　前記ワーク主軸の回転周期と同周期で前記カメラに撮影指示を出力する処理と、
    　　前記撮影指示により得られた少なくとも２つの画像の比較結果に基づいて、前記前兆が生じているか否かを判断する処理とを含む、請求項１～４のいずれか１項に記載の工作機械。
  6. 　前記チャックには、前記ワークを把持するための複数の爪が設けられており、
    　前記検出部は、前記複数の爪の各々の位置に相関する物理量を検出し、
    　前記指標は、前記物理量を含み、
    　前記前兆を検出する処理は、前記物理量の時系列データに基づいて、前記前兆が生じているか否かを判断する処理を含む、請求項１～５のいずれか１項に記載の工作機械。
  7. 　前記検出部は、前記ワーク主軸の回転駆動に関する制御値を取得するための取得部を含み、
    　前記指標は、前記制御値を含み、
    　前記前兆を検出する処理は、前記取得部から順次得られた前記制御値の時系列データに基づいて、前記前兆が生じているか否かを判断する処理を含む、請求項４～６のいずれか１項に記載の工作機械。
  8. 　工作機械の制御方法であって、
    　前記工作機械は、ワークを把持するためのチャックを有するワーク主軸を備え、前記ワーク主軸は、前記チャックで前記ワークを固定した状態で、前記ワーク主軸の軸方向を中心として、前記ワークを回転可能に構成されており、
    　前記制御方法は、
    　　前記チャックに対する前記ワークの把持状態を表わす指標を検出するステップと、
    　　前記指標に基づいて、前記ワークが前記チャックから外れる前兆を検出するステップと、
    　　前記前兆が検出された場合に、予め定められた異常対処処理を実施するステップとを実行する、制御方法。
  9. 　工作機械の制御プログラムであって、
    　前記工作機械は、ワークを把持するためのチャックを有するワーク主軸を備え、前記ワーク主軸は、前記チャックで前記ワークを固定した状態で、前記ワーク主軸の軸方向を中心として、前記ワークを回転可能に構成されており、
    　前記制御プログラムは、前記工作機械に、
    　　前記チャックに対する前記ワークの把持状態を表わす指標を検出するステップと、
    　　前記指標に基づいて、前記ワークが前記チャックから外れる前兆を検出するステップと、
    　　前記前兆が検出された場合に、予め定められた異常対処処理を実施するステップとを実行する、制御プログラム。
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