(57)【要約】【課題】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を提供する。【解決手段】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と、を備える。【選択図】図１
2020110922.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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、前記加工抵抗と前記装置動特性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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−０１６４８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【発明の効果】
【０００９】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】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】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】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】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】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】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】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】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。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
[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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
[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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
[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。
【００６０】
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。
【００６１】
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）。
【００６２】
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）。
【００６３】
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）。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
[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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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ｄ２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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【符号の説明】
【００９０】
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。
【図１】
2020110922.tif 000003
【図２】
2020110922.tif 000004
【図３】
2020110922.tif 000005
【図４】
2020110922.tif 000006
【図５】
2020110922.tif 000007
【図６】
2020110922.tif 000008
【図７】
2020110922.tif 000009
【図８】
2020110922.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】令和2年5月18日(2020.5.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワークと接触して前記ワークを研削加工する砥石と、
前記砥石を支持し、第１回転軸を中心に前記砥石を回転させる第１回転装置と、
前記ワークを支持し、前記第１回転軸と平行な第２回転軸を中心に前記ワークを回転させる第２回転装置と、
前記第１回転軸と直交する方向で前記砥石を前記ワークに押し当てるように駆動する駆動装置と、
前記ワーク及び前記砥石の状態量データが入力される状態量データ取得部と、
前記砥石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
研削装置。
【請求項２】
前記砥石による前記研削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に記載の研削装置。
【請求項３】
前記加工状態データに基づいて前記砥石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に記載の研削装置。
【請求項４】
前記第１回転装置は、前記砥石を回転させる動力を発生する第１モータを含み、
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研削装置。
【請求項５】
前記状態量データは、前記砥石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砥石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、前記砥石の研削抵抗を算出する
請求項４に記載の研削装置。
【請求項６】
前記駆動装置は、送り方向に前記砥石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、
前記加工状態算出部は、前記研削抵抗と前記ワークモデルとに基づいて前記ワーク又は前記砥石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に記載の研削装置。
【請求項７】
前記第２回転装置は、前記ワークを回転させる動力を発生する第２モータを含み、
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砥石との接触位置を算出する
請求項６に記載の研削装置。
【請求項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砥石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に記載の研削装置。
【請求項９】
前記ワークモデルは、さらに前記ワークの動特性データを含む
請求項１に記載の研削装置。
【請求項１０】
前記ワークモデルは、さらに物性データを含む
請求項９に記載の研削装置。
【請求項１１】
前記ワークモデルは、さらに前記ワークの断面形状データを含む
請求項９又は請求項１０に記載の研削装置。
【請求項１２】
円柱状部材のワークと砥石とを接触させて前記砥石で前記ワークを研削加工することと、
前記研削加工において前記ワーク及び前記砥石の状態量データを取得することと、
前記砥石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、
前記研削加工において前記加工状態データを出力することと、
前記研削加工において前記加工状態データに基づいて前記砥石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。
【請求項１３】
前記砥石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砥石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１２に記載の加工物の製造方法。
【請求項１４】
前記状態量推定データは、前記砥石の研削抵抗を含み、
前記研削抵抗と前記砥石により加工された前記ワークの数とに基づいて前記砥石の摩耗量を推定することを含む
請求項１２又は請求項１３に記載の加工物の製造方法。
【請求項１５】
ワークと接触して前記ワークを研削加工する砥石と、
前記ワーク及び前記砥石の状態量データが入力される状態量データ取得部と、
前記砥石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
研削システム。