(57)【要約】【課題】  外部センサを用いず、システムのロバスト性を確保すると共に、加工力を高精度に検出する加工力監視システム及びをそれを用いた工作機械を提供する。【解決手段】  ワークを支持するワーク支持手段と、前記ワーク支持手段を動かす駆動手段と、前記ワークを加工する加工手段と、前記駆動手段に入力する参照信号と前記駆動手段から出力する出力信号とに基づき、前記駆動手段への外乱を推定し、前記参照信号にフィードバックする外乱オブザーバと、前記駆動手段に入力する参照信号と前記駆動手段から出力する出力信号とに基づき推定した前記駆動手段への外乱から、予め求めた摩擦力を減算することにより前記加工手段の加工力を推定する加工力推定オブザーバと、を備えたことを特徴とする。【選択図】図１
2010271880.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワークを支持するワーク支持手段と、
前記ワーク支持手段を動かす駆動手段と、
前記ワークを加工する加工手段と、
前記駆動手段に入力する参照信号と前記駆動手段から出力する出力信号とに基づき、前記駆動手段への外乱を推定し、前記参照信号にフィードバックする外乱オブザーバと、
前記駆動手段に入力する参照信号と前記駆動手段から出力する出力信号とに基づき推定した前記駆動手段への外乱から、予め求めた摩擦力を減算することにより前記加工手段の加工力を推定する加工力推定オブザーバと、
を備えたことを特徴とする加工力監視システム。
【請求項２】
前記加工力推定オブザーバは、
所定の周波数をパスするフィルタを有する第１の加工力推定オブザーバと、
前記第１の加工力推定オブザーバがパスする周波数とは異なる周波数をパスするフィルタを有する第２の加工力推定オブザーバと、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の加工力監視システム。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載された加工力監視システムと、
工具が耐えうる最大加工力を入力する最大加工力入力手段と、
加工力監視システムの監視した加工力と、最大加工力入力手段に入力された加工力とを比較し、加工力監視システムの監視した加工力が最大加工力入力手段に入力された加工力を上回らないように回転数及び最適送り速度を算出する算出手段と、
を有することを特徴とする工作機械。
【請求項４】
前記算出手段は、加工力監視システムの監視した加工力が一定となるように回転数及び最適送り速度を算出することを特徴とする請求項３に記載の工作機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工作機械等の加工力を外部センサを使用することなく監視する加工力監視システム及びをそれを用いた工作機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
切削や研削を行う工作機械のインテリジェント化の観点から、加工プロセスの監視技術に関する研究が注目されている。特に、切削抵抗をモニタリングすることで、加工プロセスの監視を行う技術の開発が重要視されている。従来、切削抵抗をモニタリングする技術として、工作機械テーブルと工作物の間に外部センサを取り付けて加工力を監視する技術や電流計により駆動電流を測定して加工力を推定する技術がある（非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】"Sensor-Less Monitoring of Cutting Force During Ultraprecision Machining" , H.Shinno, H.Hashizume, H.Yoshioka, Annals of the CIRP Vol.52/1/2003
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
圧電式の力センサを外部センサとして用いることで、高精度に加工力を計測することができる。しかしながら、実際の製品を加工する現場では、外部センサを工作機械に取り付けて加工することは、段取り工程の増加や剛性低下を招くことから使用されることはない。また、切削力を高精度に測定するための外部センサは非常に高価で、生産現場の全ての機械にこれを搭載することは、コスト面から不可能に近い。
【０００５】
本発明は、上記課題を解決するためのものであって、外部センサを用いず、システムのロバスト性を確保すると共に、加工力を高精度に検出する加工力監視システム及びをそれを用いた工作機械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】
そのために本発明の加工力監視システムは、ワークを支持するワーク支持手段と、前記ワーク支持手段を動かす駆動手段と、前記ワークを加工する加工手段と、前記駆動手段に入力する参照信号と前記駆動手段から出力する出力信号とに基づき、前記駆動手段への外乱を推定し、前記参照信号にフィードバックする外乱オブザーバと、前記駆動手段に入力する参照信号と前記駆動手段から出力する出力信号とに基づき推定した前記駆動手段への外乱から、予め求めた摩擦力を減算することにより前記加工手段の加工力を推定する加工力推定オブザーバと、を備えたことを特徴とする。
【０００７】
また、前記加工力推定オブザーバは、所定の周波数をパスするフィルタを有する第１の加工力推定オブザーバと、前記第１の加工力推定オブザーバがパスする周波数とは異なる周波数をパスするフィルタを有する第２の加工力推定オブザーバと、を備えたことを特徴とする。
【０００８】
さらに、本発明の工作機械は、前記加工力監視システムと、工具が耐えうる最大加工力を入力する最大加工力入力手段と、加工力監視システムの監視した加工力と、最大加工力入力手段に入力された加工力とを比較し、加工力監視システムの監視した加工力が最大加工力入力手段に入力された加工力を上回らないように回転数及び最適送り速度を算出する算出手段と、を有することを特徴とする。
【０００９】
また、前記算出手段は、加工力監視システムの監視した加工力が一定となるように回転数及び最適送り速度を算出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
それによって、本発明は、外部センサを用いず、システムのロバスト性を確保すると共に、加工力を高精度に検出する加工力監視システム及びをそれを用いた工作機械を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】加工力監視システムを示す図である。
【図２】外乱オブザーバを示す図である。
【図３】加工力推定オブザーバを示す図である。
【図４】複数の加工力推定オブザーバを備えた加工力監視システムを示す図である。
【図５】リニアモータテーブルを示す図である。
【図６】システム構成図である。
【図７】システムのブロック図である。
【図８】実験１の方法を示す図である。
【図９】実験１の結果を示す図である。
【図１０】実験２の方法を示す図である。
【図１１】実験２のロバスト性の結果を示す図である。
【図１２】実験２の切削力推定を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１３】
まず、加工力監視システムの実施形態について説明する。図１は加工力監視システムを示す図、図２は外乱オブザーバを示す図、図３は加工力推定オブザーバを示す図である。図１、図２及び図３において、１は加工力監視システム、２は駆動手段としてのモータ、３は外乱オブザーバ、４は加工力推定オブザーバである。
【００１４】
加工力監視システム１は、ワークＷを移動させるモータ２と、外乱を推定し、フィードバックすることで外乱を補償する外乱オブザーバ３と、加工力を推定する加工力推定オブザーバ４とを有する。
【００１５】
加工力監視システム１では、まず、入力信号としてモータ２を駆動する参照電流Ｉrefが入力されると、外乱オブザーバ３から出力された補償電流Ｉcmpが加算され、参照電流Ｉrefと補償電流Ｉcmpの加算信号がモータ２に入力する。また、モータ２には、加工力Ｆcutと摩擦力Ｆfricによる外乱が影響する。外乱Ｆ0disは、外乱オブザーバ３で推定され、補償電流値Ｉcmpに変換されフィードバックすることで補償される。モータ２は、外乱Ｆ0disを補償して、ワークＷの位置を出力する。
【００１６】
次に、外乱オブザーバ３について説明する。図２に示すように、外乱オブザーバ３は、モータ２への入力信号と、モータ２からの出力信号を入力し、外乱Ｆ0disを推定する。例えば、リニアモータ駆動テーブルの場合、テーブル質量をＭ[kg]、速度をｘ'[m/s]、モータの発生推力をＦm[N]、切削力をＦcut[N]、案内面の摩擦力をＦfric[N]として、運動方程式を記述すると、以下の式（１）のように表される。
【数１】
2010271880.tif 000003
ここで、Ｋt[N/A]はモータ２の推力定数、Ｉref[A]は参照電流である。
【００１７】
実際には質量Ｍと推力定数Ｋtは、その公称値Ｍn、ＫtnからΔＭ、ΔＫtだけ変動する。これらのパラメータ変動による変動推力と切削力Ｆcut、摩擦力Ｆfricの合計が外乱Ｆ0disとなり、以下の式（２）で表される。この時、式（１）は式（３）のように変換される。
【数２】
2010271880.tif 000004
【００１８】
外乱オブザーバ３によって算出された外乱Ｆdisには高域ノイズが含まれるため、ローパスフィルタＬＰＦａを通してノイズを除去し、外乱Ｆ0disとした後、補償電流Ｉcmpに変換してフィードバックすることで、外乱Ｆdisを補償してシステムのロバスト性を高めることができる。なお、外乱オブザーバ３へ入力される信号として、モータからの出力信号を位置信号に変換して入力しているが、速度信号で入力してもよい。
【００１９】
次に、加工力推定オブザーバ４について説明する。図３に示すように、加工力推定オブザーバ４は、外乱オブザーバ３とほぼ同様の構造をしている。加工力推定オブザーバ４は、外乱オブザーバ３と同様に推定し出力した外乱Ｆ0disから予め推定された摩擦力Ｆ0fricを差し引くことで、加工力Ｆ0cutを推定するものである。なお、摩擦力Ｆ0fricは、無負荷の状態でモータ２を駆動した時の外乱Ｆ0disと同じなので、その値をもとめ、テーブルや関数等に予めデータベース化すればよい。
【００２０】
加工力監視システム１は、このような外乱オブザーバ３と加工力推定オブザーバ４を適用する。なお、推力変動分は、加工力推定オブザーバ４のパラメータである質量の公称値Ｍnと推力定数の公称値Ｋtnを適切に調整することで除去している。
【００２１】
このように、本実施形態の加工力監視システム１は、外部に力センサを用いることなく、工作機械等で使用されている制御系を改良することで、システムのロバスト性を確保すると共に、加工力を高速かつ高精度に推定することが可能となる。また、加工力推定オブザーバ４が推定した加工力をフィードバックすることで加工力を高速制御することが可能となる。
【００２２】
また、外乱オブザーバ３に組み込まれたローパスフィルタＬＰＦａと加工力推定オブザーバ４に組み込まれたローパスフィルタＬＰＦｂのパス又は遮断周波数は独立に決定できるため、フィードバックする外乱オブザーバ３のパス又は遮断周波数を変えずにシステムのロバスト性を保持したまま、加工力推定オブザーバ４のパス又は遮断周波数を自由に変えて加工力の推定を行うことが可能となる。
【００２３】
したがって、図４に示すように、加工力監視システム１は、加工力推定オブザーバ４として、所定の周波数をパスするフィルタを有する第１の加工力推定オブザーバ４ａと、第１の加工力推定オブザーバ４ａがパスする周波数とは異なる周波数をパスするフィルタを有する第２の加工力推定オブザーバ４ｂと、を備えることで、回転周期や工具のたわみ等による異なる周波数帯域の加工力を同時に推定することができる。これにより、例えば、エンドミル加工等での直流成分と交流成分の加工力を同時に計測することも可能となる。なお、加工力推定オブザーバ４は、２つに限らず、いくつ設けてもよい。
【００２４】
次に、加工力監視システム１をリニアモータテーブルの制御に用いた実施例について説明する。図５はリニアモータテーブルを示す図、図６はシステム構成図、図７はシステムのブロック図である。図中、５１はワーク支持手段としてのテーブル、５２はガイド、５３はスケール、５４はリニアエンコーダである。
【００２５】
テーブル５１はリニアモータ２の駆動によりガイド５２に沿って移動可能である。図６に示すように、テーブル５１の位置情報は、リニアエンコーダ５４がスケール５３を読み取り、加工力処理システム１にフィードバックされる。そして、加工力処理システム１は、テーブル５１の位置情報に基づいてリニアモータ２へ指令値を与える。
【００２６】
図７に示すように、図示しない入力手段からテーブルの位置を指令する指令信号ｘcmdが比例微分コントローラーで加速度信号ｘ”cmdに微分され、信号変換器により参照電流Ｉrefに変換されて、加工力処理システム１に入力される。加工力処理システム１では、図１乃至図３で説明した処理を実行する。なお、出力された位置ｘは、比例微分コントローラーで指令信号ｘcmdに加算される。
【００２７】
次に、加工力監視システム１をリニアモータテーブルの制御に用いた実施例における性能実験について説明する。
【００２８】
まず、実験１について説明する。図８は実験１の方法を示す図、図９は実験１の結果を示す図である。
【００２９】
図８に示すように、実験１は、リニアモータ２によるテーブル５１の駆動中に負荷を与え、外部力センサとしてのロードセル７１側と加工力監視システム１で監視するテーブル５１側で負荷測定値を比較するものである。実験条件は、フィードレート０．６mm/minとした。
【００３０】
図９に示すように、外部センサとしてのロードセル７１側の出力Ａと、加工力監視システム１で監視したテーブル５１側の出力Ｂとは、負荷測定値がほぼ一致している。
【００３１】
このように、加工力監視システム１により、外部センサと同等に、高速且つ高精度の加工力の推定を行うことができる。
【００３２】
次に、実験２について説明する。図１０は実験２の方法を示す図、図１１は実験２のロバスト性の結果を示す図、図１２は実験２の切削力推定を示す図である。
【００３３】
図１０に示すように、実験２は、テーブル５１上にワークＷを載置し、溝加工を行い、位置指令信号に対する応答位置を検出して外乱オブザーバによるロバスト性の向上を確認すると共に、切削力の測定を確認するものである。
【００３４】
切削条件は、アルミニウムのワークを、３軸縦型マシニングセンタに設置し、３mm径のエンドミルを、回転数１０００min-1、フィードレート３mm/minで送り、１mmの深さで切削する。
【００３５】
図１１の横軸は時間、縦軸はテーブルの位置を表す。また、ｘcmdは位置指令信号、ｘは外乱オブザーバを用いた場合の位置、ｘaは外乱オブザーバの用いない場合の位置である。
【００３６】
図１１に示すように、外乱オブザーバを用いたｘの場合には、位置指令信号ｘcmdにテーブルが追従しているが、外乱オブザーバを用いないｘaの場合には、偏差が生じ、追従性が悪くなっている。したがって、外乱オブザーバにより外乱を補償することでロバスト性が向上していることが確認できる。
【００３７】
また、図１２に示すように、回転速度に対応した周期的な切削力の推定値が高精度に出力されている。
【００３８】
このように、加工力監視システム１により、外部に力センサを用いることなく、システムのロバスト性を保持したまま、加工力を高速かつ高精度に推定することが可能となる。また、加工力推定オブザーバ４が推定した加工力をフィードバックすることで加工力を高速制御することが可能となる。例えば、研削加工機や研磨加工機のｚ軸に用いることで、定圧研削や定圧研磨をセンサレスで行う機械や、一定のスラスト力で穴あけしたり、エンドミルのＤＣ成分切削力を一定として加工するマシニングセンタを開発できる。
【００３９】
また、加工力監視システム１による制御機能を搭載した工作機械では、指令値に工具が耐えうる最大切削力を入力するのみで、回転数に応じた最適送り速度を瞬時に導出することができる。
【００４０】
さらに、加工力監視システム１による制御機能を搭載した工作機械では、難加工材である脆性材料や複合・積層材料を、加工力を調整しながら最適な条件で加工することができる。例えば、ガラスやセラミックス等の脆性材料であれば、弾性領域内の力で加工するよう指令することで、延性状態で加工することができる。
【００４１】
すなわち、加工力監視システム１と、工具が耐えうる最大加工力を入力する最大加工力入力手段と、加工力監視システム１の監視した加工力と、最大加工力入力手段に入力された加工力とを比較し、加工力監視システム１の監視した加工力が最大加工力入力手段に入力された加工力を上回らないように回転数及び最適送り速度を算出する算出手段と、を有する工作機械とすることが可能となる。
【００４２】
また、算出手段は、加工力監視システムの監視した加工力が一定となるように回転数及び最適送り速度を算出すると好ましい。
【符号の説明】
【００４３】
１…加工力監視システム、２…モータ（駆動手段）、３…外乱オブザーバ、４…加工力推定オブザーバ、５１…テーブル（ワーク支持手段）、５２はガイド、５３はスケール、５４はリニアエンコーダ、Ｗ…ワーク
【図１】
2010271880.tif 000005
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2010271880.tif 000011
【図８】
2010271880.tif 000012
【図９】
2010271880.tif 000013
【図１０】
2010271880.tif 000014
【図１１】
2010271880.tif 000015
【図１２】
2010271880.tif 000016