(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
工具と被加工物とを相対的に回転させる回転駆動モータ、及び前記工具と被加工物とを二次元平面内又は三次元空間内で相対的に移動させる送り駆動モータを備えた工作機械を用いて、前記被加工物を断続切削する加工方法において、
前記工具の摩耗と、前記回転駆動モータ及び送り駆動モータを制御する少なくとも一方の制御系の周波数応答帯域との相関関係であって、所定の基準周波数応答帯域のときに工具摩耗が最小値となり、周波数応答帯域が前記基準周波数応答帯域よりも広いと工具摩耗が大きくなり、周波数応答帯域が前記基準周波数応答帯域よりも狭いと工具摩耗が大きくなるという相関関係を予め取得し、
取得された前記相関関係を基に、該当する駆動モータに係る制御系の周波数応答帯域を、工具摩耗が予め設定された許容範囲内となるような周波数応答帯域に設定して、前記被加工物を加工するようにしたことを特徴とする工作機械を用いた被加工物の加工方法。
【請求項２】
工具と被加工物とを相対的に回転させる回転駆動モータ、及び前記工具と被加工物とを二次元平面内又は三次元空間内で相対的に移動させる送り駆動モータを備えた工作機械を用いて、前記被加工物を断続切削する加工方法において、
前記回転駆動モータ及び送り駆動モータを制御する少なくとも一方の制御系の周波数応答帯域と、該当する駆動モータの出力トルク又は供給電流の変動幅との相関関係であって、周波数応答帯域が狭くなるほど出力トルク又は供給電流の変動幅が小さくなり、周波数応答帯域が広くなるほど出力トルク又は供給電流の変動幅が大きくなるという相関関係、
並びに、該当する駆動モータに係る制御系の周波数応答帯域と回転速度の変動幅との相関関係であって、周波数応答帯域が狭くなるほど回転速度の変動幅が大きくなり、周波数応答帯域が広くなるほど回転速度の変動幅が小さくなるという相関関係を予め取得し、
取得された前記各相関関係を基に、該当する駆動モータに係る制御系の周波数応答帯域を、工具摩耗が予め設定された許容範囲内となるような周波数応答帯域に設定して、前記被加工物を加工するようにしたことを特徴とする工作機械を用いた被加工物の加工方法。
【請求項３】
前記該当する駆動モータに係る制御系の周波数応答帯域を、予め設定した範囲内となるように設定するとともに、
前記設定周波数応答帯域の上限を、該当する駆動モータに係る制御系の周波数応答帯域と出力トルク又は供給電流の変動幅との相関関係を基に設定し、
前記設定周波数応答帯域の下限を、該当する駆動モータに係る制御系の周波数応答帯域と回転速度の変動幅との相関関係を基に設定するようにしたことを特徴とする請求項２記載の工作機械を用いた被加工物の加工方法。
【請求項４】
前記設定周波数応答帯域の上限は、該当する前記出力トルク又は供給電流の変動幅が、切削に必要な理論上の値の＋１５％以下の範囲に収まる周波数応答帯域に設定され、
前記設定周波数応答帯域の下限は、該当する前記回転速度の変動幅が設定回転速度の±１５ｒｐｍ以内の範囲に収まる周波数応答帯域に設定されることを特徴とする請求項３記載の工作機械を用いた被加工物の加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工作機械を用いた被加工物の加工方法に関し、更に詳しくは、断続切削下においても工具摩耗を軽減することが可能な加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
工作機械を用いた加工における工具の損傷（摩耗や欠損等）は、一般に、工具の材質や形状、切削の際に工具に作用する切削抵抗の大小などに依存すると考えられている。そして、工具が早く損傷する、即ち、工具寿命が短い場合には、加工品質が安定しないという問題の他、頻繁に工具を交換する必要があることから、加工効率が悪くなるという問題を生じる。
【０００３】
そこで、従来、切削工具について、その材質，形状の他、構造的な剛性の面から、耐摩耗性の高い工具の開発が鋭意、継続的に進められており、また、工作機械についても、安定した加工が実現されるよう、その剛性等、当該工作機械に起因した加工環境が安定するように、日々改良がなされている。更に、加工方法についても、例えば、特開２００３−１７０３３３号公報に開示されるように、加工中の切削抵抗の変動を減少させることで、工具の摩耗や損傷を軽減させるといった試みがなされている。
【０００４】
因みに、この特開２００３−１７０３３３号公報に開示される加工方法は、加工中の切削抵抗の変動を減少させることができる工具の送り経路を生成し、この経路に沿って工具を移動させることで、工具の摩耗や損傷を軽減させるというものであり、具体的には、この送り経路は、エンドミル工具の単位量の運動によって生じる被加工物と工具の干渉部分を回転軸に沿って加工面上に投影したときの、該投影部分によって示される幾何的変数であるところの切削前の最大切りくず厚さと工具干渉部の切削円弧長の２つについて、送り経路の各部において、場所に寄らず常に一定の値となるように幾何的拘束を与えることで生成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−１７０３３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、切削抵抗の変動は、例えば、マシニングセンタにおける加工のように、エンドミルやフェイスミルといった、切削刃が非連続な工具を用いた加工の場合には、所謂断続切削となるため、必然的に生じるものであり、また、旋盤加工においても、例えば、加工面に溝や穴が形成されている場合には、この溝や穴を加工する際に断続切削となり、切削抵抗に変動を生じる。
【０００７】
この切削抵抗の変動は、工作機械の主軸の回転制御系や送り装置の送り制御系に、外乱振動として入力されるものであり、品質上安定した加工を実現するためには、制御系がこの外乱振動に対して制御的に安定している必要がある。そして、本願発明者等は、当初、外乱振動に対して制御系をより安定させることで、工具摩耗を軽減させることができるのではないかと考えた。
【０００８】
そこで、本願発明者等は、断続切削下において、主軸を回転させる回転駆動モータや送り装置の送り駆動モータの制御系を安定させるべく、当該制御系の周波数応答帯域を段階的に広くしながら、工具摩耗に対する影響を調査した。
【０００９】
その結果、断続切削下における前記制御系の周波数応答帯域と工具摩耗との相関関係は非線形であることが判明した。
【００１０】
本発明は、以上の背景からなされたものであり、断続切削において、工具摩耗を軽減することが可能な加工方法の提供を、その目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するための本発明は、
工具と被加工物とを相対的に回転させる回転駆動モータ、及び前記工具と被加工物とを二次元平面内又は三次元空間内で相対的に移動させる送り駆動モータを備えた工作機械を用いて、前記被加工物を断続切削する加工方法であって、
前記回転駆動モータ及び送り駆動モータを制御する少なくとも一方の制御系の周波数応答帯域を、工具摩耗が予め設定された許容範囲内となるような周波数応答帯域に設定して、前記被加工物を加工するようにしたことを特徴とする工作機械を用いた被加工物の加工方法に係る。
【００１２】
上述したように、本願発明者等が、断続切削下で、前記回転駆動モータや送り駆動モータの制御系の周波数応答帯域を段階的に広くしながら、工具摩耗に対する影響を調査した結果、前記制御系の周波数応答帯域と工具摩耗との相関関係は非線形であることが判明した。より具体的に言うと、周波数応答帯域と工具摩耗との相関関係は、所定の周波数応答帯域において工具摩耗が最小となり、周波数応答帯域をこれより広くすると工具摩耗は大きくなり、逆に、狭くしても工具摩耗は大きくなるのである。
【００１３】
したがって、前記周波数応答帯域を、工具摩耗が予め設定された許容範囲内となるような周波数応答帯域に設定して、前記被加工物を加工することで、工具摩耗を所定の許容範囲内に抑えることができ、加工品質の安定化や、加工効率の向上を図ることができる。
【００１４】
尚、前記制御系は、その周波数応答帯域が広いほど、外乱振動に対する安定度が高い。したがって、前記周波数応答帯域は、工具摩耗の許容範囲内で、これをできるだけ広い値に設定するのが好ましい。
【００１５】
また、工具摩耗が前記許容範囲内となるような周波数応答帯域は、予め経験的に求めた相関関係であって、該当する駆動モータに係る制御系の周波数応答帯域と工具摩耗との相関関係から設定することができる。
【００１６】
既述のように、周波数応答帯域と工具摩耗との相関関係は、所定の周波数応答帯域において工具摩耗が最小となり、周波数応答帯域をこれより広くすると工具摩耗は大きくなり、逆に、狭くしても工具摩耗は大きくなる。そこで、このような現象の原因を究明すべく、本願発明者等は、周波数応答帯域と駆動モータの回転速度及び出力トルクとの関係を調査した。尚、駆動モータの出力トルクは、既知のように、駆動モータへの供給電流と比例関係にあり、これらを等価なものと観念することができる。したがって、本発明においては、出力トルクと供給電流とを等価なものとし取り扱っており、以降の説明においては、出力トルクについてのみ触れるが、当該出力トルクは供給電流に置き換えられるものである。
【００１７】
上記調査の結果、周波数応答帯域と回転速度との関係については、周波数応答帯域を狭くするほど、回転速度の変動が大きくなり、周波数応答帯域を広くするほど、回転速度の変動が小さくなることが判明した。そして、このような回転速度の変動は、回転駆動モータ、送り駆動モータのいずれの場合においても、切削抵抗の変動につながるものであって、工具摩耗に影響を与えることが推考され、周波数応答帯域を狭くするほど、工具摩耗が大きくなるものと考えられる。
【００１８】
一方、周波数応答帯域と出力トルクとの関係については、周波数応答帯域を狭くするほど、出力トルクの変動が小さくなり、周波数応答帯域を広くするほど、出力トルクの変動が大きくなることが判明した。そして、この出力トルクの変動も、回転駆動モータ、送り駆動モータのいずれの場合においても、切削抵抗の変動につながるものであって、工具摩耗に影響を与えるものと考えられ、上記結果と重ね合わせて考察すると、周波数応答帯域を広くするほど、工具摩耗が大きくなるものと考えられる。
【００１９】
そして、このような背景から、周波数応答帯域と工具摩耗との相関関係が、上述したように、所定の周波数応答帯域において工具摩耗が最小となり、周波数応答帯域をこれより広くすると工具摩耗は大きくなり、逆に、狭くしても工具摩耗は大きくなるという関係になるものと考えられる。
【００２０】
したがって、以上を考慮すれば、工具摩耗が前記許容範囲内となるような周波数応答帯域は、該当する駆動モータに係る制御系の周波数応答帯域と出力トルクとの相関関係、並びに、該当する駆動モータに係る制御系の周波数応答帯域と回転速度との相関関係から設定することができる。そして、このようにして出力トルク及び回転速度との相関関係から周波数応答帯域を設定することで、断続切削下においても、工具摩耗を所定の許容範囲内に抑えることができ、加工品質の安定化や、加工効率の向上を図ることができる。
【００２１】
尚、上述した背景からすれば、前記周波数応答帯域の設定範囲は、その上限を、該当する駆動モータに係る制御系の周波数応答帯域と出力トルクとの相関関係を基に設定し、その下限を、該当する駆動モータに係る制御系の周波数応答帯域と回転速度との相関関係を基に設定するのが好ましい。
【００２２】
また、前記上限を、該当する駆動モータに係る制御系の周波数応答帯域と出力トルクの変動幅との相関関係を基に設定し、下限を、該当する駆動モータに係る制御系の周波数応答帯域と回転速度の変動幅との相関関係を基に設定しても良い。
【００２３】
更に、前記上限は、該当する前記出力トルクの変動幅が、切削に必要な理論上のトルクの＋１５％以下の範囲に収まる周波数応答帯域とするのが好ましく、下限は、該当する前記回転速度の変動幅が設定回転速度の±１５ｒｐｍ以内の範囲に収まる周波数応答帯域とするのが好ましい。この範囲を外れると、工具摩耗が所定の許容範囲を超えることになり、好ましくない。
【発明の効果】
【００２４】
以上詳述したように、本発明によれば、断続切削下で必然的に生じる切削抵抗の変動に起因した工具摩耗を軽減することができ、加工品質の安定化や、加工効率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】工作機械の主軸装置を構成する回転駆動モータや、送り装置を構成する送り駆動モータにおける一般的なフィードバック制御のモデルを示したブロック図である。
【図２】制御系のゲインと周波数応答帯域との関係を示したグラフである。
【図３】切削実験に使用したスローアウェイチップを示す説明図である。
【図４】切削実験における切削方法を説明するための説明図である。
【図５】周波数応答帯域が５０Ｈｚの場合の駆動モータの出力トルクを示したグラフである。
【図６】周波数応答帯域が７５Ｈｚの場合の駆動モータの出力トルクを示したグラフである。
【図７】周波数応答帯域が１００Ｈｚの場合の駆動モータの出力トルクを示したグラフである。
【図８】周波数応答帯域が２００Ｈｚの場合の駆動モータの出力トルクを示したグラフである。
【図９】周波数応答帯域が３００Ｈｚの場合の駆動モータの出力トルクを示したグラフである。
【図１０】周波数応答帯域が４７０Ｈｚの場合の駆動モータの出力トルクを示したグラフである。
【図１１】周波数応答帯域が５０Ｈｚの場合の主軸の出力トルクを示したグラフである。
【図１２】周波数応答帯域が７５Ｈｚの場合の主軸の出力トルクを示したグラフである。
【図１３】周波数応答帯域が１００Ｈｚの場合の主軸の出力トルクを示したグラフである。
【図１４】周波数応答帯域が２００Ｈｚの場合の主軸の出力トルクを示したグラフである。
【図１５】周波数応答帯域が３００Ｈｚの場合の主軸の出力トルクを示したグラフである。
【図１６】周波数応答帯域が４７０Ｈｚの場合の主軸の出力トルクを示したグラフである。
【図１７】周波数応答帯域が５０Ｈｚの場合のスローアウェイチップ逃げ面を写した写真である。
【図１８】周波数応答帯域が５０Ｈｚの場合のスローアウェイチップすくい面を写した写真である。
【図１９】周波数応答帯域が７５Ｈｚの場合のスローアウェイチップ逃げ面を写した写真である。
【図２０】周波数応答帯域が７５Ｈｚの場合のスローアウェイチップすくい面を写した写真である。
【図２１】周波数応答帯域が１００Ｈｚの場合のスローアウェイチップ逃げ面を写した写真である。
【図２２】周波数応答帯域が１００Ｈｚの場合のスローアウェイチップすくい面を写した写真である。
【図２３】周波数応答帯域が２００Ｈｚの場合のスローアウェイチップ逃げ面を写した写真である。
【図２４】周波数応答帯域が２００Ｈｚの場合のスローアウェイチップすくい面を写した写真である。
【図２５】周波数応答帯域が３００Ｈｚの場合のスローアウェイチップ逃げ面を写した写真である。
【図２６】周波数応答帯域が３００Ｈｚの場合のスローアウェイチップすくい面を写した写真である。
【図２７】周波数応答帯域が４７０Ｈｚの場合のスローアウェイチップ逃げ面を写した写真である。
【図２８】周波数応答帯域が４７０Ｈｚの場合のスローアウェイチップすくい面を写した写真である。
【図２９】スローアウェイチップの逃げ面の摩耗量と周波数応答帯域との関係を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の具体的な実施の形態について説明する。図１は、工作機械の主軸装置を構成する回転駆動モータや、送り装置を構成する送り駆動モータにおける一般的なフィードバック制御のモデルを示したブロック図である。
【００２７】
図１中、符号１０は、前記回転駆動モータや送り駆動モータに相当する駆動モータであり、フィードバック制御部（制御系）１はＰＩ制御部２を備え、指令値に対応した制御信号を生成し、生成した制御信号によって駆動モータ１０を制御する。
【００２８】
このＰＩ制御部２では、比例ゲイン３及び積分ゲイン４（以下、単に「ゲイン」という）を調整することで、フィードバック制御部１の周波数応答帯域を調整することができる。ゲインと周波数応答帯域との関係を図２に示す。図２は、定格２５ＫＷの永久磁石式同期モータにおけるゲインと周波数応答帯域との関係を示したものである。ＰＩ制御では、周波数応答の速さは、比例ゲインＫｐと積分ゲインＫｉの大きさに比例し、主軸ロータのイナーシャ（ＪＭ＋ＪＬ）の大きさに反比例する。そして、主軸ロータのイナーシャは一定であるので、比例ゲインＫｐと積分ゲインＫｉの大きさを変化させることにより、周波数応答帯域を調整することができる。尚、ゲインと周波数応答帯域との関係は、適宜計算式から算出しることができ、また、実験的に求めることもできる。
【００２９】
同図２に示すように、ゲインと周波数応答帯域との相関は線形を示し、ゲインを高くするほど周波数応答帯域を広げることができる。そして、この帯域が広いほど、制御系は広い周波数範囲の外乱に対して安定しており、したがって、ゲインを高めて周波数応答帯域を広げるほど、制御系は安定する。尚、周波数応答帯域は、周波数を変化させたとき、その利得又は損失の値の、基準周波数（設定周波数、又は利得若しくは損失の最大となる周波数）における値からの偏差が、規定された限度内（例えば、３ｄＢ）にある周波数範囲をいう。
【００３０】
［切削実験］
そして、上記特性を有する駆動モータ１０を主軸駆動モータとして使用した立形マシニングセンタを用い、前記ゲインを調整することで前記周波数応答帯域を適宜変化させながら、切削実験を行なった。
【００３１】
工具には、刃数が６で、その切削有効直径（図４に示すＤ）が１６０ｍｍであるサンドビック社製のフェイスミルを使用し、切削刃を構成するスローアウェイチップには、図３に示した符号ｂ、ｄ、Ｒ、ｌａ、ｌｂ、θ１、θ２、θ３の各寸法が、ｂ＝１．５ｍｍ、ｄ＝６．１ｍｍ、Ｒ＝１ｍｍ、ｌａ＝１８ｍｍ、ｌｂ＝１３．９ｍｍ、θ１＝４５°、θ２＝２９°、θ３＝２０°であるＣＶＤコーティングチップを使用した。
【００３２】
そして、この工具を用い、縦３００ｍｍ、横３００ｍｍ、厚さ２００ｍｍの大きさの炭素鋼（Ｓ５５Ｃ）を被削材（ワーク）とし、前記ゲインを調整して、前記フィードバック制御部１の周波数応答帯域を５０Ｈｚ（ゲイン＝１２０ｒａｄ／ｓ）、７５Ｈｚ（ゲイン＝２００ｒａｄ／ｓ）、１００Ｈｚ（ゲイン＝２８０ｒａｄ／ｓ）、２００Ｈｚ（ゲイン＝６００ｒａｄ／ｓ）、３００Ｈｚ（ゲイン＝９２０ｒａｄ／ｓ）及び４７０Ｈｚ（ゲイン＝１６００ｒａｄ／ｓ）の６段階に設定し、設定した各周波数応答帯域で乾式切削を行なった。
【００３３】
切削条件は、工具、即ち主軸の回転速度を５００ｒｐｍ（したがって、切削速度は２５１ｍ／ｍｉｎ）とし、工具の送り速度を１４７０ｍｍ／ｍｉｎ（したがって、切削刃の一刃当りの送り方向の切り込み量（切削量）は０．４９ｍｍ）とし、工具の厚さ方向の切り込み量を３ｍｍとした。また、図４における矢示方向に工具を回転させ、その切削幅を１００ｍｍとし、同図４に示した矢示方向に工具を移動させて切削した。尚、このような条件下での切削は、切削周波数が５０Ｈｚの断続切削であり、理論上の切削トルク（駆動モータ１０の出力トルク）は約３３０Ｎｍである。
【００３４】
そして、前記各周波数応答帯域での加工中の駆動モータ１０の出力トルク、及び主軸の回転速度を計測するとともに、加工後のスローアウェイチップの摩耗量を測定した。その結果を、図５〜図２９に示す。
【００３５】
尚、公知のように、駆動モータ１０に供給される電流（モータｑ軸電流ｉｑｓ）と、その出力トルクＴとは、例えば、下式で表わせるような比例関係にある。
Ｔ＝φ×ｉｑｓ
但し、φはモータ定数である。
したがって、本実験では、駆動モータ１０への供給電流を計測し、前記計算式から駆動モータ１０の出力トルクを算出した。
【００３６】
図５〜図１０は、駆動モータ１０の出力トルクを示したグラフであり、図５は、周波数応答帯域が５０Ｈｚの場合の出力トルクを示し、図６は、周波数応答帯域が７５Ｈｚの場合の出力トルクを示し、図７は、周波数応答帯域が１００Ｈｚの場合の出力トルクを示している。また、図８は、周波数応答帯域が２００Ｈｚの場合の出力トルクを示し、図９は、周波数応答帯域が３００Ｈｚの場合の出力トルクを示し、図１０は、周波数応答帯域が４７０Ｈｚの場合の出力トルクを示している。
【００３７】
図１１〜図１６は、主軸の回転速度を示したグラフであり、図１１は、周波数応答帯域が５０Ｈｚの場合の主軸回転速度を示し、図６は、周波数応答帯域が７５Ｈｚの場合の主軸回転速度を示し、図７は、周波数応答帯域が１００Ｈｚの場合の主軸回転速度を示している。また、図８は、周波数応答帯域が２００Ｈｚの場合の主軸回転速度を示し、図９は、周波数応答帯域が３００Ｈｚの場合の主軸回転速度を示し、図１０は、周波数応答帯域が４７０Ｈｚの場合の主軸回転速度を示している。
【００３８】
また、図１７〜図２８は、それぞれ、切削長が１６２００ｍｍとなったときの前記スローアウェイチップの刃先を写した写真であり、図１７は、周波数応答帯域が５０Ｈｚの場合のスローアウェイチップ逃げ面の写真であり、図１８は、同すくい面の写真である。図１９は、周波数応答帯域が７５Ｈｚの場合の逃げ面の写真、図２０は、同すくい面の写真であり、図２１は、周波数応答帯域が１００Ｈｚの場合の逃げ面の写真、図２２は、同すくい面の写真である。また、図２３は、周波数応答帯域が２００Ｈｚの場合の逃げ面の写真、図２４は、同すくい面の写真であり、図２５は、周波数応答帯域が３００Ｈｚの場合の逃げ面の写真、図２６は、同すくい面の写真であり、図２７は、周波数応答帯域が４７０Ｈｚの場合の逃げ面の写真、図２８は、同すくい面の写真である。
【００３９】
また、図２９は、図１７、１９、２１、２３、２５及び２７の各写真から測定される逃げ面摩耗量（フランク摩耗量）を前記周波数応答帯域との関係で示したグラフである。
【００４０】
［切削実験の考察］
１．出力トルクと工具摩耗との関係
図５〜図１０に示されるように、駆動モータ１０の出力トルクは、制御系の周波数応答帯域が狭いほど、その変動が小さく、周波数応答帯域を広げると、その変動が大きくなる傾向にある。これは、断続切削の場合、切削刃が被削材に断続的に接触することになり、切削刃が非接触の状態から被削材に接触して切削を開始する際に、当該切削刃に急激に切削抵抗が作用するため、制御系のゲインを高くして応答性を良くした状態では、急激な負荷変動に追従するべく、駆動モータ１０に印加される電流が急激に増加し、出力トルクが急激に増加（変動）するためだと考えられる。
【００４１】
このような、出力トルクの増加は、切削に必要なトルク以上の大きなものであり、このようなトルクが切削刃に印加されることによって、切削刃と被削材との接触による衝撃応力が高くなり、これに伴って、切削熱も高くなるため、切削刃の摩耗が促進されるものと考えられる。このように、出力トルクの変動の面から見ると、制御系のゲインを上げて周波数応答帯域を広くとるほど工具摩耗が大きくなる、逆に言えば、制御系のゲインを下げて周波数応答帯域を狭めるほど工具摩耗が小さくなる、と考えられる。
【００４２】
２．回転速度と工具摩耗との関係
一方、図１１〜図１６に示されるように、、主軸の回転速度は、制御系の周波数応答帯域が狭いほど、その変動が大きく、周波数応答帯域を広げると、その変動が小さくなる傾向にある。上述したように、断続切削の場合、切削刃が被削材に断続的に接触することになり、切削刃が非接触の状態から被削材に接触して切削を開始する際に、当該切削刃に急激に切削抵抗が作用する。したがって、制御系のゲインを低くして応答性を悪くした状態では、急激な負荷変動に対する追従性が悪く、結果、主軸回転速度が大きく変動する。一方、制御系のゲインを高くして応答性を良くすれば、急激な負荷変動に対する追従性が良くなり、主軸回転速度の変動が抑えられる。
【００４３】
主軸回転速度が変動すると、切削刃に作用する切削抵抗が変動するため、切削刃に作用する応力が変動し、また、生成される切削熱も変動する。そして、これらの変動が切削刃の摩耗に悪影響を及ぼすものと考えられる。このように、主軸回転速度の変動の面から見ると、制御系のゲインを下げて周波数応答帯域を狭くするほど工具摩耗が大きくなる、逆に言えば、制御系のゲインを上げて周波数応答帯域を広くするほど工具摩耗が小さくなる、と考えられる。
【００４４】
３．周波数応答帯域と工具摩耗との関係
以上のように、制御系のゲインを調整して、その周波数応答帯域を変えると、駆動モータ１０の出力トルクの変動に起因すると思われる工具摩耗の現象と、主軸回転速度の変動に起因すると思われる工具摩耗の現象とで、相反する現象を生じることになるのである。
【００４５】
斯くして、以上の背景から、現実的な工具摩耗は、出力トルクの変動と主軸回転速度の変動とが重畳された状態で発生し、図２９に示すように、所定の周波数応答帯域（本実験では１００Ｈｚ）において工具摩耗が最小（０．１７ｍｍ）となり、周波数応答帯域をこれより広くすると工具摩耗は大きくなり、逆に、狭くしても工具摩耗は大きくなる。具体的には、周波数応答帯域が２００Ｈｚの場合に工具摩耗は０．２５ｍｍとなり、周波数応答帯域が３００Ｈｚの場合に工具摩耗は０．３６ｍｍとなり、周波数応答帯域が４００Ｈｚの場合に工具摩耗は０．３５ｍｍとなった。一方、周波数応答帯域が７５Ｈｚの場合に工具摩耗は０．３８ｍｍとなり、周波数応答帯域が５０Ｈｚの場合に工具摩耗は０．４８ｍｍとなった。
【００４６】
４．結論
このように、制御系のゲインを調整して、その周波数応答帯域を変えながら加工を行なって、周波数応答帯域と工具摩耗との相関関係を求めることで、工具摩耗が最小となるような最適な周波数応答帯域を求めることができる。そして、制御系の周波数応答帯域を最適な周波数応答帯域に設定することで、工具摩耗が最小になるように抑えることができ、加工品質の安定化や、加工効率の向上を図ることができる。
【００４７】
尚、現実的に許容される工具摩耗量は、品質の安定や加工コストなどを考慮して経験的に決定されるべきであり、この意味で、設定されるべき前記周波数応答帯域は、工具摩耗が前記許容範囲内になるような値に設定されるのが好ましい。そして、このような許容範囲内の工具摩耗と周波数応答帯域との相関関係は、上記の実験により経験的に求めることができる。
【００４８】
また、上記の実験から明らかなように、制御系１の周波数応答帯域と駆動モータ１０の出力トルクとは所定の相関関係が有り、同周波数応答帯域と駆動モータ１０（主軸）の回転速度とは所定の相関関係を有している。したがって、工具摩耗が前記許容範囲内となる周波数応答帯域は、当該周波数応答帯域と出力トルク及び回転速度との相関関係から求めることができる。
【００４９】
そして、周波数応答帯域を広くとるほど前記出力トルクの変動が増大し、これによって工具摩耗が大きくなる傾向、並びに、周波数応答帯域を狭くするほど前記回転速度の変動が増大し、これによって工具摩耗が大きくなる傾向を合わせて考慮すれば、許容される周波数応答帯域の上限は、前記出力トルク（若しくはその変動幅）との相関関係から設定することができ、その下限は、前記主軸回転速度（若しくはその変動幅）との相関関係から設定することができる。
【００５０】
更に、上記実験結果からすれば、前記周波数応答帯域の上限は、前記出力トルクの変動幅が、切削に必要な理論上のトルクの＋１５％以下の範囲に収まる周波数応答帯域とするのが好ましく、下限は、前記回転速度の変動幅が設定回転速度の±１５ｒｐｍ以内の範囲に収まる周波数応答帯域とするのが好ましい。
【００５１】
図５〜図１０に示したＡ線は、切削に必要な理論上のトルクである３３０Ｎｍを１．１５倍した３７９．５Ｎｍを示す線である。また、図１１〜図１６に示したＢ線は、設定回転速度である５００ｒｐｍに１５ｒｐｍを加算した５１５ｒｐｍを示す線であり、Ｃ線は、設定回転速度である５００ｒｐｍから１５ｒｐｍを減算した４８５ｒｐｍを示す線である。したがって、図５〜図１６の例では、許容される周波数応答帯域の上限は２００Ｈｚであり、下限は、７５Ｈｚである。
【００５２】
尚、前記制御系１は、その周波数応答帯域が広いほど、外乱振動に対する安定度が高い。したがって、前記周波数応答帯域は、前記許容範囲内で、これをできるだけ広い値に設定するのが好ましい。
【００５３】
以上、本発明の具体的な実施の形態について説明したが、本発明に含まれる具体的な態様は、これに限定されるものではない。
【００５４】
例えば、上述したように、駆動モータ１０の出力トルクは供給電流と所定の比例関係にある。したがって、前記出力トルクに代えて、制御系の周波数応答帯域と駆動モータ１０への供給電流との相関関係から、設定されるべき前記周波数応答帯域を設定するようにしても良い。
【００５５】
また、上記実験では、駆動モータ１０への供給電流を計測して、計測した供給電流から出力トルクを算出するようにしたが、これに限るものではなく、駆動モータ１０の出力トルクを直接計測するようにしても良い。
【００５６】
また、上記の実験例では、主軸を回転させる駆動モータについて、その制御系の周波数応答帯域を設定する方法を説明したが、工具摩耗に影響を与える駆動モータはこれに限られるものではなく、工具と被加工物とを二次元平面又は三次元空間内で相対的に移動させる送り駆動モータについても、同様の手法によって、当該送り駆動モータの制御系の周波数応答帯域を設定することで、断続切削下における工具摩耗を軽減することができる。
【００５７】
また、上記の実験例では、工作機械としてマシニングセンタを使用したが、本発明を適用可能な工作機械はこれに限られるものではなく、旋盤など、工具と被加工物とを相対的に回転させる回転駆動モータ、及び前記工具と被加工物とを二次元平面内又は三次元空間内で相対的に移動させる送り駆動モータを備えた工作機械全般が含まれる。
【００５８】
また、上記実験では、制御系１がＰＩ制御部２を含むものを用いたが、これに限られるものではなく、ＰＩＤ制御部を備えたものでも良く、この場合も、比例ゲイン、積分ゲイン及び微分ゲインの各ゲインを調整することで、当該制御系１の周波数応答帯域を調整することができる。
【００５９】
また、前記周波数応答帯域を調整する方法も、ゲインの調整によるものに限られるものではなく、その他の方法によって調整することも可能である。
【符号の説明】
【００６０】
１    フィードバック制御部（制御系）
２    ＰＩ制御部
３    比例ゲイン
４    積分ゲイン
１０  駆動モータ
【図１】
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【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図２９】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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