(57)【要約】  ５軸切削加工装置で切削する場合のように、被削材を傾斜、回転させながら移動して切削する加工状態において、工具と被削材との間に発生する切削力を正確に測定する方法を提供する。  力センサを組み込んだ加工テーブルまたは被削材固定治具に対して、加速度センサを取付け、テーブルの加速度値を計測して切削動作に伴う被削材と固定治具重量の慣性力の影響をキャンセルするように、切削力を算出する。計測による切削力と理論上の切削力の差分値より切削異常を検知するようにした。
2013073436.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
工作機械の加工中の切削力を検出する装置であって、
演算部と、記憶部と、入力部と、出力部と、および通信部とを備え、
前記記憶部は、前記入力部より入力された被削材、および加工テーブルの重量を記憶し、
前記演算部は、
工作機械の加工テーブルの支持部に組み込まれた力センサの出力を前記通信部、または前記入力部を介して受け付けて、切削中の工具と被削材との間に加わる切削力を計測する力センサ計測部と、
工作機械の加工テーブルに取り付けられた加速度センサの出力を前記通信部、または前記入力部を介して受け付けて、切削中の加工テーブルの移動時の加速度を計測する加速度計測部と、
計測した加速度と、加工テーブルと被削材の重量から慣性力を算出し、前記力センサにより計測された切削力を慣性力によって補正して補正後の切削力を得る切削力変換部とを有し、
前記出力部は、前記補正後の切削力を出力する
ことを特徴とする切削力検出装置。
【請求項２】
前記記憶部は、更に、加工ツールパス上の所定間隔または所定の規則に配置した離散点の切削位置における加工理論上の切削力、および加工開始位置より各切削位置までの累積除去ボリュームを予めＣＡＭにおいて計算した情報を入力して、記憶し、
前記演算部は、
力センサ、加速度センサの計測と同期して、切削座標値を工作機械またはＮＣ制御装置より取得する切削座標値取得部を更に有し、
前記切削力変換部は、前記切削座標値に対応した加工ツールパス上の切削位置における累積除去ボリュームを、前記記憶部に記憶してある該当切削位置の情報より算出して、前記被削材の重量を補正し、補正した被削材の重量に基づいて慣性力を算出し、前記力センサにより計測された切削力を慣性力によって補正して補正後の切削力を得る
ことを特徴とする請求項１に記載の切削力検出装置。
【請求項３】
前記記憶部は、更に、理論計算上の切削力と、計測値より得られた切削力との差分より切削中の異常を判定するためのしきい値を予め記憶し、
前記演算部は、
前記切削座標値に対応した加工ツールパス上の切削位置における理論上の切削力を、前記記憶部に記憶してある該当切削位置の切削力情報より算出して、計測値より求められた前記補正後の切削力と比較する切削力比較部と、
前記切削力比較部により算出された計測値より求められた切削力と理論上の切削力との差分値を、前記記憶部に記憶されている切削中の異常を判定するための前記しきい値と比較して、切削異常を検知する異常判定部とを更に有する
ことを特徴とする請求項２に記載の切削力検出装置。
【請求項４】
前記出力部は、プログラム情報登録の入力画面を表示して、
前記演算部は、オペレータが前記入力部により各ファイルの読込みを指示入力することに応じて、前記通信部を介して３次元ＣＡＭに該当ファイルの作成、ダウンロードを指示して、３次元ＣＡＭより該当ファイルのダウンロードを受け付けて、前記記憶部に記憶することを特徴とする請求項１に記載の切削力検出装置。
【請求項５】
前記入力部を介して、加工中にオペレータより切削力波形の表示の指示を受け付けて、
前記演算部は、オペレータのボタン押下時より所定時間間隔の力センサ値を記録して、所定時間間隔の切削力波形、または平均的な切削力表示を前記出力部に出力することを特徴とする請求項１に記載の切削力検出装置。
【請求項６】
前記入力部を介して、加工中にオペレータより加速度波形の表示の指示を受け付けて、
前記演算部は、オペレータのボタン押下時より所定時間間隔の加速度センサ値を記録して、所定時間間隔の加速度波形を前記出力部に出力することを特徴とする請求項１に記載の切削力検出装置。
【請求項７】
前記入力部を介して、加工中にオペレータよりワーク重量変化の表示の指示を受け付けて、
前記演算部は、オペレータのボタン押下時の切削座標値より加工ツールパス上の累積除去ボリュームを、前記記憶部に記憶してある該当切削位置の情報より算出して、所定時間間隔の重量変化のグラフを前記出力部に出力することを特徴とする請求項２に記載の切削力検出装置。
【請求項８】
前記入力部を介して、加工中にオペレータより切削力振動の表示の指示を受け付けて、
前記演算部は、オペレータのボタン押下時の力センサ値と加速度センサ値の記録情報より切削力を周波数と振幅の関係にフーリエ変換した切削力の振動成分、工具の振動振幅成分を、切削力振幅／周波数のグラフ表現にて前記出力部に出力することを特徴とする請求項１に記載の切削力検出装置。
【請求項９】
前記入力部を介して、加工中にオペレータよりびびり振動状態の表示の指示を受け付けて、
前記演算部は、オペレータのボタン押下時より所定の時間経過の間のびびり振動の発生状態を、びびり指数のグラフにて前記出力部に出力することを特徴とする請求項１に記載の切削力検出装置。
【請求項１０】
工作機械の加工中の切削力を検出する方法であって、
予め、入力された被削材、および加工テーブルの重量を受け付けて記憶装置に記憶し、
工作機械の加工テーブルの支持部に組み込まれた力センサの出力を受け付けて、切削中の工具と被削材との間に加わる切削力を計測し、
工作機械の加工テーブルに取り付けられた加速度センサの出力を受け付けて、切削中の加工テーブルの移動時の加速度を計測し、
計測した加速度と、加工テーブルと被削材の重量から慣性力を算出し、前記力センサにより計測された切削力を慣性力によって補正し、および
補正後の切削力を出力することを特徴とする切削力検出方法。
【請求項１１】
前記記憶装置に、更に、加工ツールパス上の所定間隔または所定の規則に配置した離散点の切削位置における加工理論上の切削力、および加工開始位置より各切削位置までの累積除去ボリュームを予めＣＡＭにおいて計算した情報を入力して、記憶し、
前記力センサ、前記加速度センサの計測と同期して、切削座標値を工作機械またはＮＣ制御装置より取得し、
前記切削座標値に対応した加工ツールパス上の切削位置における累積除去ボリュームを、前記記憶装置に記憶してある該当切削位置の情報より算出して、前記被削材の重量を補正し、補正した被削材の重量に基づいて慣性力を算出し、および
前記力センサにより計測された切削力を前記慣性力によって補正することを特徴とする請求項１０に記載の切削力検出方法。
【請求項１２】
前記記憶装置に、更に、理論計算上の切削力と、計測値より得られた切削力との差分より切削中の異常を判定するためのしきい値を予め記憶し、
前記切削座標値に対応した加工ツールパス上の切削位置における理論上の切削力を、前記記憶装置に記憶してある該当切削位置の切削力情報より算出して、計測値より求められた前記補正後の切削力と比較し、
前記計測値より求められた切削力と理論上の切削力との差分値を算出して、前記記憶部に記憶されている切削中の異常を判定するための前記しきい値と比較して、切削異常を検知することを特徴とする請求項１１に記載の切削力検出方法。
【請求項１３】
工作機械の加工の異常を検出する方法であって、
記憶装置に、被削材、および加工テーブルの重量、加工ツールパス上の切削位置における加工理論上の切削力、および加工開始位置より各切削位置までの累積除去ボリューム情報、および切削中の異常を判定するためのしきい値を記憶し、
工作機械の加工テーブルの支持部に組み込まれた力センサの出力より、切削中の工具と被削材との間に加わる切削力を計測し、
工作機械の加工テーブルに取り付けられた加速度センサの出力より、切削中の加工テーブルの移動時の加速度を計測し、
前記力センサ、前記加速度センサの計測と同期して、切削座標値を工作機械またはＮＣ制御装置より取得し、
前記切削座標値に対応した加工ツールパス上の切削位置における累積除去ボリュームを算出して前記被削材の重量を補正し、補正した被削材の重量と前記加速度に基づいて慣性力を算出し、
前記力センサにより計測された切削力を前記慣性力によって補正し、
前記切削座標値に対応した加工ツールパス上の切削位置における理論上の切削力を、前記記憶装置に記憶してある該当切削位置の切削力情報より算出して、計測値より求められた前記補正後の切削力と比較し、
前記計測値より求められた切削力と理論上の切削力との差分値を算出して、前記記憶部に記憶されている前記しきい値と比較して、切削異常を検知することを特徴とする加工異常検出方法。
【請求項１４】
工作機械の加工中の加工条件を安定限界線の安定領域内でピーク位置の加工条件に収束させるシステムであって、
演算部と、記憶部と、入力部と、出力部と、および通信部とを備え、
前記記憶部は、前記入力部、または前記通信部より入力された加工条件のオーバーライド量変化率とびびり指数との変換テーブルと、各種変数の初期値、および閾値を記憶し、
前記演算部は、工作機械の加工テーブルに組み込まれた力センサ、加速度センサの出力値より算出した切削力を周波数と振幅の関係にフーリエ変換して、切削力振動振幅成分と工具振動振幅成分との比で表されるびびり指数を算出する手段と、
前記算出したびびり指数により、前記記憶された変換テーブルを検索して、変換演算を行い該当するオーバーライド量変化率を求める手段と、
前記求められたオーバーライド量変化率と、過去にびびり振動を発生したオーバーライド量上限値に従って、現在のオーバーライド量より新しいオーバーライド量に更新する手段と、
前記新しいオーバーライド量に従って、対象とする加工条件を変更する手段と、
前記通信部を介して、前記変更された加工条件をＮＣ制御装置へ出力する手段とを有することを特徴とする加工条件制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は切削加工に用いる工作機械において、加工中に工具に加わる切削力を測定する装置、切削力検出方法、加工異常検出方法、および加工条件制御システムに関わり、特に5軸加工機による切削加工中に発生する工具摩耗やびびり振動などの異常を検知し、摩耗過大によるワーク損傷やびびりを抑制するための切削力検出装置、切削力検出方法、加工異常検出方法、および加工条件制御システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
工作機械を用いたエンドミル加工は、金属部品をさまざまな形状に加工する手法として一般的な加工方法であり、回転工具に取り付けられた切刃を被削材に切り込み、材料を除去することで様々な形状に加工する。通常、切削加工は角材や丸棒材などから部品形状を削りだす工程が多く、複雑な形状を有する部品を加工する場合は除去量が多くなるため、切込量や送り速度、工具回転速度を大きくする等して、高能率化を図っている。ここで、近年の製品性能向上のため、切削加工対象となる部品にNi基合金や高硬度鋳鋼材などの高強度・難削材が適用される場合が多く、この様な材料では工具摩耗が著しく進行して切削不可となる理由から加工能率を低下させた切削条件に落とさざるを得ず、高能率化する上での問題となっている。また、加工形状も3次元曲面を有する複雑な形状が多くなってきており、5軸マシニングセンタのような多軸工作機械で加工するケースが多くなっており、先の問題に対する加工能率の向上が課題となっている。【０００３】
このような材料・形状においては、切り込み量や回転軸の回転速度によっては、切込量や工具回転数を上げた際に、切刃にかかる力が大きくなるため、工具の振動や切刃の摩耗、折損等の加工トラブルが発生しやすい。加工トラブルが発生すると、加工部分の表面粗さが悪化したり、傷ついたりするため、材料を廃棄することとなり、コストの高い高強度材や工具などが破損となる上、廃棄コストがかかることとなり製造コスト上昇の課題となっている。そこで、工作機械の振動状態や加工状態をモニタリングし、異常が発生する直前に工作機械に指令を与えて加工条件を変更する手法や、加工を停止することができる加工制御システムを構築する技術が必要となっている。【０００４】
このような手段に関し、従来より様々な方式で切削中の負荷を計測し、切削の異常を検知する方法が提案されている。特許文献１や非特許文献１に示されているように、工具摩耗起因などによる切削異常の検知方法として、主軸回転に用いるモータの駆動電流値を測定することでモータ負荷を推定し、予め設定したしきい値と比較することによって異常を検知する方法が知られている。また特許文献２には、モータ負荷のしきい値の設定方法として、予め実験やシミュレーションによりモータ駆動電流値の変化パターンを把握しておき、この変化パターンから加工パス毎にしきい値を設定する方法が開示されている。また、特許文献３には、工作機械に振動センサ（加速度センサ）を取り付けて、切削中の振動を検知し、振動が低減するように工作機械の主軸回転数を制御する方法が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭５９-１４６７４１号公報
【特許文献２】特開平５−３３７７９０号公報
【特許文献３】特開２００９-１９０１６０号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】JIPMソリューション加工点の見える化研究会，“加工点の見える化技術”,(2008),pp85-93，
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、主軸回転に用いるモータの電流値を測定する方式では、切削工具の摩耗やびびり振動に対するモータ電流値変化の感度や周波数応答性が低いため、加工現象の異常を正確に検知することが難しい。また、工作機械に振動センサを取り付けて切削中の振動を検知する方式では、切削に伴なうびびり振動が発生してからのち異常検知するため、工具摩耗進捗による切削中に変化する異常を検知することができないという問題がある。また、刃先の微小欠損などによるワークへの損傷発生に対する検知も難しく、異常発生の予測の実現に課題がある。【０００８】
上記の問題を解決するためには、被削材と工具とに加わる切削力を測定して異常を検知する方法が有効である。この場合、一般的には切削動力計と称される計測器を用いる。これは、力センサを組み込んだ治具に被削材を取付け、工具と被削材とに加わるＸ-Ｙ-Ｚ軸方向の力を計測するものである。切削動力計を用いた場合、被削材と工具とが接する力を直接測定することができるため、切削振動が異常に大きくなるびびり振動の検知は可能となる。また、工具摩耗の進行についても切削負荷の増大という現象でとらえることができる。また、微小チッピングなどの工具異常についても、切削力波形の変化より検出することが可能である。前述のとおり、切削動力計を用いて切削力を測定することが切削状態の異常を検知する上で有効な手段となるが、切削動力計を使用する上での前提として、水平方向または垂直方向に動力計を設置することが必要となる。例えばＺ方向に切込みを与えるような縦型マシニングセンタの場合では、加工テーブル上に切削動力計を設置して被削材をその上に固定し、切削するのが一般的である。しかし、テーブルが傾斜、回転するような5軸切削加工装置で加工する場合、切削動力計が傾斜しながら移動するため、切削動力計と被削材の重量が慣性力となって作用し、切削動力計の計測値に加減されるため、切削力の測定が困難となる問題がある。【０００９】
本発明の目的は、５軸切削加工装置で切削する場合のように、被削材を傾斜、回転させながら移動して切削する加工状態において、工具と被削材との間に発生する切削力を正確に測定する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために本発明では、工作機械の加工中の切削力を検出する装置を、演算部と、記憶部と、入力部と、出力部と、および通信部とを備え、前記記憶部は、前記入力部より入力された被削材、および加工テーブルの重量を記憶し、前記演算部は、工作機械の加工テーブルの支持部に組み込まれた力センサの出力を前記通信部、または前記入力部を介して受け付けて、切削中の工具と被削材との間に加わる切削力を計測する力センサ計測部と、工作機械の加工テーブルに取り付けられた加速度センサの出力を前記通信部、または前記入力部を介して受け付けて、切削中の加工テーブルの移動時の加速度を計測する加速度計測部と、計測した加速度と、加工テーブルと被削材の重量から慣性力を算出し、前記力センサにより計測された切削力を慣性力によって補正して補正後の切削力を得る切削力変換部とを有し、前記出力部は、前記補正後の切削力を出力するように構成した。【００１１】
また、上記課題を解決するために本発明では、前記切削力検出装置を、前記記憶部は、更に、加工ツールパス上の所定間隔または所定の規則に配置した離散点の切削位置における加工理論上の切削力、および加工開始位置より各切削位置までの累積除去ボリュームを予めＣＡＭにおいて計算した情報を入力して、記憶し、前記演算部は、力センサ、加速度センサの計測と同期して、切削座標値を工作機械またはＮＣ制御装置より取得する切削座標値取得部を更に有し、前記切削力変換部は、前記切削座標値に対応した加工ツールパス上の切削位置における累積除去ボリュームを、前記記憶部に記憶してある該当切削位置の情報より算出して、前記被削材の重量を補正し、補正した被削材の重量に基づいて慣性力を算出し、前記力センサにより計測された切削力を慣性力によって補正して補正後の切削力を得るように構成した。【００１２】
また、上記課題を解決するために本発明では、前記切削力検出装置を、前記記憶部は、更に、理論計算上の切削力と、計測値より得られた切削力との差分より切削中の異常を判定するためのしきい値を予め記憶し、前記演算部は、前記切削座標値に対応した加工ツールパス上の切削位置における理論上の切削力を、前記記憶部に記憶してある該当切削位置の切削力情報より算出して、計測値より求められた前記補正後の切削力と比較する切削力比較部と、前記切削力比較部により算出された計測値より求められた切削力と理論上の切削力との差分値を、前記記憶部に記憶されている切削中の異常を判定するための前記しきい値と比較して、切削異常を検知する異常判定部とを更に有するように構成した。【００１３】
また、上記課題を解決するために本発明では、工作機械の加工の異常を検出する方法において、記憶装置に、被削材、および加工テーブルの重量、加工ツールパス上の切削位置における加工理論上の切削力、および加工開始位置より各切削位置までの累積除去ボリューム情報、および切削中の異常を判定するためのしきい値を記憶し、工作機械の加工テーブルの支持部に組み込まれた力センサの出力より、切削中の工具と被削材との間に加わる切削力を計測し、工作機械の加工テーブルに取り付けられた加速度センサの出力より、切削中の加工テーブルの移動時の加速度を計測し、前記力センサ、前記加速度センサの計測と同期して、切削座標値を工作機械またはＮＣ制御装置より取得し、前記切削座標値に対応した加工ツールパス上の切削位置における累積除去ボリュームを算出して前記被削材の重量を補正し、補正した被削材の重量と前記加速度に基づいて慣性力を算出し、前記力センサにより計測された切削力を前記慣性力によって補正し、前記切削座標値に対応した加工ツールパス上の切削位置における理論上の切削力を、前記記憶装置に記憶してある該当切削位置の切削力情報より算出して、計測値より求められた前記補正後の切削力と比較し、前記計測値より求められた切削力と理論上の切削力との差分値を算出して、前記記憶部に記憶されている前記しきい値と比較して、切削異常を検知するようにした。【００１４】
また、上記課題を解決するために本発明では、工作機械の加工中の加工条件を安定限界線の安定領域内でピーク位置の加工条件に収束させるシステムを、演算部と、記憶部と、入力部と、出力部と、および通信部とを備え、前記記憶部は、前記入力部、または前記通信部より入力された加工条件のオーバーライド量変化率とびびり指数との変換テーブルと、各種変数の初期値、および閾値を記憶し、前記演算部は、工作機械の加工テーブルに組み込まれた力センサ、加速度センサの出力値より算出した切削力を周波数と振幅の関係にフーリエ変換して、切削力振動振幅成分と工具振動振幅成分との比で表されるびびり指数を算出する手段と、前記算出したびびり指数により、前記記憶された変換テーブルを検索して、変換演算を行い該当するオーバーライド量変化率を求める手段と、前記求められたオーバーライド量変化率と、過去にびびり振動を発生したオーバーライド量上限値に従って、現在のオーバーライド量より新しいオーバーライド量に更新する手段と、前記新しいオーバーライド量に従って、対象とする加工条件を変更する手段と、前記通信部を介して、前記変更された加工条件をＮＣ制御装置へ出力する手段とを備えて構成した。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、５軸加工機で切削するように、被削材を固定したテーブルや被削材固定治具が回転、傾斜して高速に移動する切削状態においても、切削中の被削材と工具に加わる切削力を正確に測定することが可能となる。その結果、曲面切削加工などでの切削中のびびり振動、工具摩耗、欠損などの異常を検知することができるため、切削加工の高能率化とこれによる加工品の低コスト化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の切削力検出装置の機能構成を示す図である。
【図２】本発明の実施形態１の切削力を測定するための被削材固定治具の図である。
【図３】本発明の実施形態1の切削力を測定するための被削材固定治具を工作機械に取り付けた状態の構成図である。
【図４】本発明の実施形態２の切削力を測定するための工作機械の構成図である。
【図５】切削中の切削力の方向を示すための図である。
【図６】被削材・テーブル重量記憶部のデータレコードの項目を示す図である。
【図７】切削力・加速度測定値記憶部のデータレコードの項目を示す図である。
【図８】切削位置・加工条件記憶部のデータレコードの項目を示す図である。
【図９】力センサと加速度計測値から切削力を算出する方法を説明するための図である。
【図１０】ツールパス(Ｃ)上に離散的な切削位置を選択する処理の概要を説明するための図である。
【図１１】本発明の実施形態２の処理のフローチャートを示した図である。
【図１２】本発明の実施形態３の加工装置(工作機械)と加工制御ＰＣ(切削力検出装置)とＮＣ制御装置の接続構成図である。
【図１３】加工制御ＰＣに実装された切削力検出・異常検知システムの接続機器構成を示す図である。
【図１４】加工を開始する前に加工制御ＰＣに入力する項目の入力画面の一例を示す概略図である。
【図１５】ワーク情報（ワークの材質、初期重量、治具重量）の入力画面の一例を示す概略図である。
【図１６】(a)加工中に、切削力波形を表示装置に切削力出力画面として出力した一例を示す図である。  (b)押下時より約６０ｓの時間間隔の長い平均的な切削力表示画面を出力させた図である。
【図１７】加速度の変化を画面における加速度波形にて示す図である。
【図１８】加工中のワークの重量変化の情報を表示装置に出力した一例を示す図である。
【図１９】加工中に記憶装置に保存された切削力を周波数と振幅の関係にフーリエ変換した切削力の振動成分を出力画面に出力した一例を示す図である。
【図２０】加工中のびびり振動を検出する際の情報を表示画面に出力した一例を示す図である。
【図２１】オーバーライド量変化率の設定方法について示す図であり、びびり指数から適用するオーバーライド量変化率（α）の変換グラフを表す。(ａ)オーバーライド量変化率（α）を階段状に変化させる例を示す図である。(ｂ)変換グラフとして直線や曲線を用いた例を示す図である。
【図２２】一般的な切削加工条件での安定限界線図において、初期加工条件の導出に有効なピーク位置を説明する図である。
【図２３】びびり振動が発生してしまった場合にそのびびり振動が発生したオーバーライド量を再度使用しないために、オーバーライド量の上限（上限値）を決定（設定）する方法を説明するための図である。
【図２４】加工条件を動的に制御する第１のアルゴリズムを示すフローチャートである。
【図２５】加工条件を動的に制御する第２のアルゴリズムを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明が適用された実施形態の例について、図面を用いて説明する。ただし、以下の説明において、同一構成要素には同一符号を付し繰り返しの説明は省略する。
【実施例１】
【００１８】
図１〜図３、図５〜図７を用いて第一の実施例を説明する。図２に本発明による被削材固定治具の構成を示す。なお、図２、図３の実施例では３軸制御の機械加工装置を例に説明するが、制御軸数や装置構成はこれに限られるものではない。被削材４は被削材固定治具１に固定され、被削材固定治具１は力センサ２が４箇所に組み込まれている。力センサ２は、ひずみゲージ (Strain gauge)を荷重測定用に構成したものである。【００１９】
また、被削材固定治具１の一部には加速度センサ３が取り付けられている。加速度センサ３は、一般に、機械式、光学式、半導体式の3種類に分類され、本発明の適用に特に制限はないが、本実施例では、半導体式の3軸加速度センサーを使用して、X-Y-Z軸の3方向の加速度を1デバイスで測定する。【００２０】
被削材４は図示していない切削工具のツールパス５の軌跡の繰り返しによって切削がなされる。このとき固定治具１は、図示していない工作機械によってX-Y方向の移動とともにθ1、θ2方向の回転移動がなされる。これらの動作における固定治具１の加減速の大きさを加速度センサ３によって計測する。加速度センサ３はX-Y-Z方向の加速度値が検出可能であり、それらの加速度値に基づき、工具を基準としたX,Y,Z方向に対し、被削材、固定治具重量による慣性力の大きさを算出可能である。【００２１】
図３は、図２に示す固定治具１を工作機械１０の加工テーブル１６上に設置した構成図を示す。なお図３においては、３軸加工機を用いて説明しているが本発明はこれに限るものではなく４軸以上の多軸工作機械でも、固定治具１が設置できるかぎり同様な計測が可能である。図３において、工作機械１０は、フレーム１１と加工工具１４、加工工具１４を保持して回転させる主軸１３、主軸１３を移動させる主軸ステージ１２、被削材４，被削材を保持して移動させるテーブル１６、各ステージの駆動装置を移動せしめるためのＮＣ制御装置１７、テーブル１６と固定治具１の間に取り付けて切削力を計測する切削力測定センサ２と、固定治具１に取り付けられて固定治具１の加速度値を計測する加速度センサ３と、ＮＣ制御装置１７との通信と切削力測定センサ２、加速度センサ３の計測値より切削力を検出する切削力検出装置３０で構成される。【００２２】
本発明の切削力検出装置３０は、実施例１の場合には例えば図１に示す構成の一部の機能を使用して実現される。切削力検出装置３０は、演算部４０、記憶部５０、入力部６１、出力部６２、通信部６３を備える。演算部４０は、力センサ計測部４１、加速度計測部４２、切削力変換部４３、切削座標値取得部４４、切削力比較部４５、除去ボリューム算出部４６、異常判定部４７を有する。記憶部５０は、被削材・テーブル重量記憶部５１、切削力・加速度測定値記憶部５２、切削座標値記憶部５３、切削位置・加工条件記憶部５４、異常検知しきい値記憶部５５を有する。
切削力検出装置３０の通信部６３は、ネットワーク９０を介して、工作機械１０、ＮＣ制御装置１７、３次元ＣＡＤ８０、および３次元ＣＡＭ８１と接続される。【００２３】
図３に戻り、工作機械１０は、工具１４を回転させて被削材４に切り込み、加工領域１５を除去することによって、被削材４の形状を加工するものである。工具１４が被削材４から受ける力により、切削力が発生する。X-Yテーブル１６上に固定治具１が設置され、さらに固定治具１上に被削材４が固定されている。被削材４は工作機械１０の主軸１３にチャックされた切削工具１４によって切削加工がなされる。このとき発生する切削力を固定治具１に組み込んだ力センサ２とこれに接続された力センサアンプ２０の出力によって、切削力検出装置３０の力センサ計測部４１が計測する。また、固定治具１の側面には加速度センサ３が取り付けられており、加速度センサ３と加速度センサアンプ２１の出力によって、切削力検出装置３０の加速度計測部４２が切削中の固定治具(テーブル)１と被削材に加わる加速度の大きさを計測する。【００２４】
前記力センサアンプ２０の出力は、ネットワーク９０、通信部６３を介して、力センサ計測部４１へ入力されるか、または入力部６１を介して力センサ計測部４１へ入力される。また、前記加速度センサアンプ２１の出力は、同様に、ネットワーク９０、通信部６３を介して、加速度計測部４２へ入力されるか、または入力部６１を介して加速度計測部４２へ入力される。【００２５】
力センサ計測部４１が計測したX方向の切削力をｆｘ、加速度計測部４２が計測したＸ方向の加速度値：aｘを用い、被削材重量をｍ1、力センサ２によって支えられる固定治具１の重量をｍ2とすると、切削力変換部４３は、例えばＸ方向の切削力：Ｆｘを以下の式で算出する。
（数１）
Ｆｘ＝ｆｘ−（ｍ1＋ｍ2）×aｘ    ……(数１)
同様な計算方式でＦｙ、Ｆｚを算出することで、慣性力の影響をキャンセルした正確な切削力の計測が可能となる。ここで、上記式のX,Y,Z方向はテーブルを基準とした値を示しており、工具基準のX,Y,Z方向に変換する際には、切削中のテーブル傾斜角を工作機械から取得することによって変換可能である。
【実施例２】
【００２６】
つぎに、図４を用いて、本発明の第二の実施例について説明する。図４は、被削材４を固定する円テーブル(固定治具)１００が旋回軸１０１によってX軸まわりに回転するトラニオンタイプのテーブルを有する工作機械の例を示している。工作機械１０のフレーム１１には主軸１３が取り付けられ図示してない上下動機構および水平移動機構によりY方向とZ方向に移動可能となっている。主軸１３の下部には工具１４がチャック可能となっている。トラニオンタイプのテーブル１０１は図示していない水平移動機構によりX方向の移動が可能となっており、主軸１３の上下動および水平移動機構と、テーブル１０１の水平移動機構、およびテーブル１０１の旋回移動によって被削材４を切削可能としている。円テーブル(固定治具)１００の４箇所に力センサを内蔵させており、工具１４による切削で発生する被削材４との切削力を検出可能である。また円テーブル１００には加速度センサ３が取り付けられており、テーブル移動に伴なう加速度値を検出可能である。【００２７】
切削に伴なう工作機械１０の軸移動によって円テーブル１００に組み込んだ力センサ２には円テーブル１００と被削材４の重量からなる慣性力が加算されることとなるが、このときの加速度値を加速度センサ３によって計測することにより、慣性力の値を算出することができ、工具１４と被削材４との間に発生する切削力を正確に算出することが可能である。例えば図５において工具１４と被削材４との間に発生する切削力Ｆｘ，Ｆｚを算出する場合を考える。切削時に加速度センサ３からの出力値で、Ｘ方向にａx、Ｚ方向にａｚが得られたとする。このとき力センサの出力値でｆｘ、ｆｚが検出されたとすると、真の切削力Ｆｘ，Ｆｚは下記の式で得られる。
(数２)
Ｆｘ＝ｆｘ−（ｍ１＋ｍ２）×ａｘ    ……(数２)
(数３)
Ｆｚ＝ｆｚ−（ｍ１＋ｍ２）×ａｙ    ……(数３)
ここで、ｍ１は被削材４の重量、ｍ２は円テーブル(固定治具)１００の重量とする。
以上のようにして、切削力変換部４３は、力センサ２と加速度センサ３の出力値より切削力を算出する。【００２８】
図１の切削力検出装置３０の被削材・テーブル重量記憶部５１は、ユーザより切削開始前に入力部６１を介して、被削材とテーブル(固定治具)の重量の入力を受付て、図６に示す記憶領域に記憶する。【００２９】
切削力・加速度測定値記憶部５２は、力センサによりテーブル(固定治具)上の被削材に発生した切削力を工作機械のテーブルを基準としたX,Y,Z方向の切削力で表して、図７(a)に示す記憶領域に記憶し、加速度センサの出力を加速度計測部４２が計測して、工作機械のテーブルを基準としたX,Y,Z方向の加速度に変換して、図７(b)に示す記憶領域に記憶し、および切削力変換部４３が力センサ２と加速度センサ３の出力値より慣性力の値を補正した切削力を算出して、工作機械のテーブルを基準としたX,Y,Z方向の切削力に変換して、図７(c)に示す記憶領域に記憶したものである。【００３０】
切削座標値記憶部５３は、切削座標値取得部４４が切削加工中の工作機械１０、またはＮＣ制御装置１７へ切削加工の位置を問い合わせて、例えば現在の工具１４の中心軸上の代表位置を、工作機械の主軸、またはテーブルを基準としたX,Y,Z軸座標値で取得したデータを記憶する。【００３１】
切削位置・加工条件記憶部５４は、３次元ＣＡＭ８１において、ＮＣプログラムを作成する際に、ツールパス(Ｃ)上の複数の所要点の位置において、その位置で工具磨耗や欠損が発生していない初期状態の工具が切削動作を行っていると仮定した場合の理論上の切削力を計算して、および切削開始点よりその位置まで素材状態の被削材を加工した時の累積の除去ボリュームを計算したデータを、各所要点ごとに作成して、それらのデータを入力して図８に示すように記憶する。以下に記憶するデータの説明をする。【００３２】
３次元ＣＡＭ８１では、従来より３次元ＣＡＤ８０より入力した素材ＣＡＤデータ１１０に対して加工領域１１１を定義して、その加工領域を選択した切削工具１１２を使用して、切削加工をするためのツールパス１１３を決定してから、ＮＣプログラムを作成する。本発明では、その過程において、ツールパス１１３上に、例えば図１０(c)に示すように、加工の開始点より工具半径ｒ進めた点１１４を第１の切削位置として、その点より所定の間隔ｄだけ進めた点１１５を第２の切削位置、そして、ツールパス上に工具の進路に変化がある曲がり角点(または折り返し点)１１６がある場合には、工具半径ｒだけ手前の点１１７と、工具半径ｒ進めた点１１８を第３、第４の切削位置と決めるといった規則によって、一連のツールパス上に離散的間隔で複数の切削位置を決める。そして、各切削位置で、選択した工具が工具磨耗や欠損が発生していない初期状態で切削動作を行っていると仮定した場合の理論上の切削力を計算する。および、切削開始点より各切削位置まで素材状態の被削材を加工した時の累積の除去ボリュームを計算する。【００３３】
３次元ＣＡＭ８１は、計算したＮＣプログラムはＮＣ制御装置１７へダウンロードして、および計算したツールパス上の各切削位置の理論上の切削力と累積除去ボリュームを切削力検出装置３０へダウンロードする。切削力検出装置３０は通信部６３を介して入力を受付けて、切削位置・加工条件記憶部５４へ記憶する。図８に示すように、一連のツールパス上の順番に、切削位置はＣＡＭ上のX,Y,Z軸座標値で例えばmm単位で表され、切削力はＣＡＭ上のX,Y,Z軸方向の成分で例えばＮ単位で表され、累積除去ボリュームは例えばｍ3単位で表される。【００３４】
図９はテーブルの重量と被削材の重量とを入力値とし、加工開始から切削力を検出し、取得した切削力より異常検知を行うまでの流れを示した図である。加工開始により、被削材４と工具１４との間には切削力が発生する。この切削力に対し、図２に示した固定治具１、または図４に示した工作機械１０の円テーブル１００に組み込んだ力センサ２によって仮の切削力算出（1次）を実施する。同時に前記固定治具１または円テーブル１００に取り付けた加速度センサ３により加速度値を検出し、入力情報であるテーブル重量、被削材重量より慣性力を算出する。そして、力センサの検出結果と加速度センサからの検出結果から得た切削力(1次)と慣性力の値から切削力を補正して算出する。これにより、工作機械のテーブルが移動している切削中においても正確な切削力を検出することができ、びびり振動や工具摩耗などの異常検知、判定に切削力を用いることができる。【００３５】
図１１は、入力情報としてテーブル(固定治具)重量と被削材重量に加えて、ＮＣプログラム作成時にツールパス上の所定の間隔の切削位置情報とその位置における理論上の切削力と累積除去ボリュームの情報を予め作成して、それらの情報を記憶させたときの切削力の検出方法、および加工異常判定方法のフローチャートを示している。特に大物部品や削り代の大きな被削材を切削する場合には、切削進行に伴って被削材の重量が大きく変化する場合がある。本方式はこのような被削材を切削する場合において、より正確な切削力を得る方法を示している。【００３６】
図１１のステップＳ１０１において、力センサ値、加速度センサ値、および現在の切削座標値の取り込みの指示を同時に発する。この時点における力センサ、および加速度センサの出力値を例えばラッチ回路に記録する。また、同時に工作機械１０またはＮＣ制御装置１７に現在の切削位置を問い合わせる。【００３７】
ステップＳ１０２において、力センサ計測部４１が力センサの出力値より被削材４と工具１４との間に発生する切削力(ｆx，ｆy，ｆz)を、例えば工作機械のテーブルを基準としたX,Y,Z座標系で算出する。【００３８】
ステップＳ１０３において、加速度計測部４２が加速度センサの出力値より被削材４とテーブル(固定治具)１００に加わった加速度(ａx，ａy，ａz)を、例えば工作機械のテーブルを基準としたX,Y,Z座標系で算出する。【００３９】
ステップＳ１０４において、ステップＳ１０１で工作機械１０またはＮＣ制御装置１７に問い合わせた現在の切削位置の回答を、通信部６３を介して受け付けて、切削座標値として切削座標値記憶部５３に格納する。【００４０】
ステップＳ１０５において、切削位置・加工条件記憶部５４に格納された切削位置・加工条件データを前記切削座標値を検索キーとして、切削座標値がツールパス上のいずれの位置に在るかを調べて、切削座標値を挟む２つの切削位置のデータレコードを読み出す。そして、２つの切削位置を前記切削座標値がツールパスに沿って内挿する位置関係にあると仮定して、前記切削座標値の理論上の切削力(Ｆtx，Ｆty，Ｆtz)を、前記２つの切削位置の切削力の値を内挿法によって補間して算出する。また、前記切削座標値における累積除去ボリュームは、除去ボリューム算出部４６が前記２つの切削位置の累積除去ボリュームの値を内挿法によって補間して算出する。なお、切削位置・加工条件データは、ＣＡＭ上のX,Y,Z軸座標値で表されているので、切削座標値と同様の例えば工作機械のテーブルを基準としたX,Y,Z座標系の値に変換した後に上記の計算を実行する。【００４１】
ステップＳ１０６において、被削材４が初期の重量ｍ１から、前記切削座標値における切削位置まで切削加工されたことによって、その時点の被削材４の重量ｍ３は、
(数４)
ｍ３＝ｍ１−(切削座標値における累積除去ボリューム)×(被削材の材質の比重)   
と補正して算出する。従って、円テーブル１００と被削材４の重量に起因する慣性力を補正する。【００４２】
ステップＳ１０７において、切削力変換部４３が、力センサ２の出力によって算出された切削力(ｆx，ｆy，ｆz)を、前記切削座標値における加速度(ａx，ａy，ａz)により生じた慣性力を使用して補正して、前記切削座標値における切削力(Ｆmx，Ｆmy，Ｆmz)を次式のように算出する。
(数５)
Ｆmx＝ｆx−（ｍ３＋ｍ２）×ａx
Ｆmy＝ｆy−（ｍ３＋ｍ２）×ａy
Ｆmz＝ｆz−（ｍ３＋ｍ２）×ａz
続いて、ステップＳ１０８において、切削力比較部４５が、計測から算出した前記切削力(Ｆmx，Ｆmy，Ｆmz)と予め切削理論より計算した切削力に基づいた前記切削座標値の理論上の切削力(Ｆtx，Ｆty，Ｆtz)とを比較する。ここで、比較する切削力の差分の大きさに対して、予め異常検知しきい値記憶部５５に登録しておいた切削力しきい値を読み出して、異常判定部４７にて比較判定して、切削異常を検知する。
ステップＳ１０９において、異常判定結果を出力部６２へ出力する。ここで、切削異常の状態に応じて、異常判定部４７は、通信部６３を介して工作機械１０、またはＮＣ制御装置１７へ非常停止の指示を発信することも可能である。【００４３】
以上の切削力の異常判定処理は、切削加工が開始されて加工中は、任意の時点において実行することが可能である。例えば、所定の時間間隔ごとに起動を掛けて実行することが考えられる。
または、切削位置・加工条件記憶部５４に予め３次元ＣＡＭ８１において計算されたツールパス上の離散的な切削位置の情報が格納されているが、加工中に切削座標値が記憶されている切削位置へ達した時に、力センサと加速度センサより計測値を取得して前記の計算を実行するならば、ステップＳ１０５の内挿法による補間計算を実行する必要がなくなり、計算精度も高くなる。ただし、予め計算した切削位置に限定されることになる。
【実施例３】
【００４４】
図１２は、本発明の第三の実施例における加工装置(工作機械)１０と加工制御ＰＣ(切削力検出装置)３０とＮＣ制御装置１７の接続構成図を示す。ＮＣ制御装置１７は、加工装置１０を制御するものであり、加工機と機体配線により接続されている。ＮＣ制御装置１７と加工制御ＰＣ３０とは図示していない光ケーブルやＬＡＮケーブル９０で接続されており、ＮＣ制御装置１７への制御信号の入出力を可能としている。たとえば、ＮＣ制御装置１７に出力されるＸ，Ｙ，Ｚ，Ａ，Ｃ軸の座標値は加工制御ＰＣ３０で参照可能である。【００４５】
図１３は、加工制御ＰＣ３０に実装された切削力検出・異常検知システムの接続機器構成を示している。加工制御ＰＣ３０には、キーボードや画面タッチ式の入力装置６１と、出力結果をユーザであるオペレータに認識せしめるＬＣＤディスプレイなどの表示装置６２と、ＮＣ制御装置１７との制御信号の入出力用の通信Ｉ/Ｆ装置６３と、ＣＰＵ、メモリなどで構成される演算装置４０、プログラム５６やデータ５７を記憶する記憶装置５０を有する。
なお、本実施例では、加工制御ＰＣ３０として汎用コンピュータ上に実装されて実現されている切削力検出・異常検知システムは、ＮＣ制御装置１７上に実装されて実現される形態であってもよい。【００４６】
図１４から図２０を用いて、本実施例の切削力検出・異常検知システムのユーザであるオペレータが加工制御ＰＣ３０にて入力する項目の詳細と、画面表示装置６２にてオペレータに表示する項目の詳細を説明する。【００４７】
図１４は、加工を開始する前に加工制御ＰＣに入力する項目の入力画面２００の一例を示す概略図である。オペレータは加工に用いるＮＣプログラムを加工ＮＣファイル欄２０１より指定して、読込ボタンを押下することにより３次元ＣＡＭ８１よりダウンロードして、プログラム領域５６に記憶する。また、使用する工具情報を工具登録ファイル欄２０２より指定して、３次元ＣＡＭ８１よりダウンロードして、データ領域５７に記憶する。および、前記ＮＣプログラムの加工ツールパス上の所定間隔または所定の規則に配置した離散点の切削位置における加工理論上の切削力、および加工開始位置より各切削位置までの累積除去ボリュームを予め３次元ＣＡＭ８１に作成を指示して、切削位置に関連付けた切削理論上の切削力/加工状態算出情報ファイル欄２０３の読込ボタンを押下して、３次元ＣＡＭ８１よりダウンロードして、データ領域５７に記憶する。さらに、保存するファイルは、それぞれ読み込みボタンを押すことで、任意の記憶装置に保存したファイルを登録することが可能である。【００４８】
図１５は、ワーク情報の入力画面２３０の一例を示す概略図である。ワークの材質２３１、初期重量２３２と、ワークを加工装置１０に固定するための治具重量２３３を各入力欄より入力する。ワークの材質については、あらかじめ登録された材種から選択することも可能である。ワーク初期重量と治具重量を記憶装置５０に保存することで、図９の処理フローにおいて、加工進行にともなうワークの重量変化と加速度センサ値に基づく慣性力の算出に用いる。図１４、図１５に示した入力情報を記憶装置５７に保存することで、図１１に示したフローに基づく加工異常判定処理の開始が可能となる。【００４９】
本実施例の切削力検出・異常検知システムは、図１１のフローチャートに示す加工異常判定処理の各ステップにおける、加工中の力センサ２値、加速度センサ３値の取得状態(Ｓ１０１)と、切削力の算出値(Ｓ１０２)、加速度の算出値(Ｓ１０３)と、被削材重量の変化値(Ｓ１０６)、および異常判定のグラフ表示(Ｓ１０８)および、異常判定結果(Ｓ１０９)に関する情報を、オペレータの指示入力に従って、表示装置６２に表示するモニターモードを備えている。以下に、それらの出力画面表示例について説明する。【００５０】
図１６(a)は、加工中に、記憶装置５０に保存された切削力波形を表示装置６２に切削力出力画面２０４として出力した一例を示している。切削力出力画面２０４では、切削力波形２０６で示したＸ，Ｙ、Ｚ方向の切削力波形が、表示装置６２に出力される。切削力表示画面２０４では、短時間での切削力波形を画面出力するためのボタン２０５が配置され、ユーザがボタン２０５を押下することによって、押下時より約６０msの時間の力センサ２値が記録されて、切削力が算出されて切削力表示画面２０６が表示される。
また、図１６(b)の切削力表示画面２０４の画面下のボタン２０８を選択・押下することにより、押下時より約６０ｓの時間間隔の長い平均的な切削力表示画面２０７を出力させることができる。【００５１】
図１７は、加工中に記憶装置５０に保存された加速度センサ３値の情報より加速度を算出して、表示装置６２に加速度出力画面２０９として出力した一例を示している。加速度出力画面２０９の、画面下加速度ボタン２１０をオペレータが選択・押下することにより、押下時より約６０ｓの時間経過の加速度センサ値が記録され、加速度が算出されて、加速度の変化を画面２０９における加速度波形２１１にて示している。【００５２】
図１８は、加工中のワークの重量の情報を表示装置６２にワーク重量出力画面２１２として出力した一例を示している。ワーク重量出力画面２１２の画面下、重量ボタン２１３を選択・押下することにより、押下時より約６０ｓの時間経過の間のワーク重量を計算して記憶装置５０に記録して、ワーク重量変化２１４を示している。図１７の加速度波形２１１と、図１８のワーク重量変化の関係より、図１１のＳ１０６で示した被削材重量変化を算出し、慣性力を計算する。【００５３】
図１９は、加工中に記憶装置５７に保存された切削力を周波数と振幅の関係にフーリエ変換した切削力の振動成分を出力画面２１５として出力した一例を示している。本出力画面２１５では、画面下の切削力振動ボタン２１６をオペレータが選択・押下することにより、押下時の力センサ値と加速度センサ値の記録情報より切削力を周波数と振幅の関係にフーリエ変換した切削力の振動成分を、切削力振動画面２１７に出力させる。切削力振動画面において、切削周波数に応じた切削成分と、工具共振周波数成分に応じた工具振動成分が切削力振幅として出力される。【００５４】
図２０は、加工中のびびり振動を検出する際の情報を表示画面６２に出力した一例を示している。画面２１８上の下側に配列されたびびり指数ボタン２１９を選択・押下することにより、例えば押下時より所定の時間経過の間のびびり振動の発生状態を、びびり指数のグラフにてびびり振動状態表示２２０を出力することができる。ここで、びびり指数は、図１９の切削力振動表示画面２１７において切削力振動振幅成分２４１を、工具の振動振幅成分２４２で除した値である。びびり振動状態表示２２０では、加工時間と、図１１のＳ１０８において算出する切削力の異常判定値の変化を示している。びびり振動状態表示２２０では、図８のデータテーブルに示すような、予め算出された理論上の切削力より算出したびびり指数値の上限を点線で示しており、これをしきい値として、力センサ値と加速度センサ値より算出した切削力から算出した値の変化値がしきい値を超えた場合に異常として、オペレータに異常を検知したことを表示装置６２に出力する。以上の画面出力を、オペレータに認識せしめることで、加工時の異常発生を検知させることができる。この結果、オペレータは、加工装置(工作機械)１０の送り、主軸１３の回転速度、切込みを変化させるなどの対応でびびりを抑止することができる。また、工具摩耗、欠損なども検知することが可能である。【００５５】
次に、図２１〜図２５に、上記異常検知・判定に関する詳細構成例として、異常を発生前に回避するための加工条件の算出・制御に関する手段を説明する。本発明の加工条件制御方法を用いて、加工装置(工作機械)１０が稼働中に切削力などの加工条件を動的に制御する。【００５６】
工作機械１０では、初期設定した加工条件（ＮＣプログラムに反映）に対し、オーバーライド量を掛けることによって、加工条件を動的に制御することが可能である。オーバーライド量を掛けるパラメータとして、一般的には、主軸１３の回転速度や工具１４の送り速度があり、オーバーライド量を０〜２００％の範囲で変更することが可能となっている。以下では、このようなオーバーライド量を変更することで加工条件を変更（制御）する構成例を説明するが、これに限らず、加工条件を直接的に変更する方式なども適用可能である。【００５７】
図２１(ａ),(ｂ)に、オーバーライド量変化率の設定方法について示す。上記びびり指数（閾値ｃ１）から適用するオーバーライド量変化率（αとする）の変換グラフを示す。びびり指数（閾値ｃ１）とは、びびり振動の発生を評価するパラメータの１つであり、切削力成分の計測値をＦＦＴ（高速フーリエ変換）にて周波数ごとの振幅強度を求め、切削周波数成分２４１と工具１４の共振点付近のびびり振動周波数成分２４２との振幅比をとった値である。この比が大きいほど、びびり振動が発生しやすくなる。【００５８】
図２１(a),(b)では、びびり指数に対応する判定用の閾値をｃ１とする。びびり指数の値がｃ１を超えたとき、びびり振動の発生と判断し、その値に応じて図示の変換グラフに従い、オーバーライド量変化率（α）を求めて、オーバーライド量を変更する（α値を掛ける）。びびり指数が閾値ｃ１に達したときのオーバーライド量変化率（α）は１００％となるようにしている。即ち現在のオーバーライド量に上記α値を乗算することにより、新しいオーバーライド量を得る。さらに、上記算出した新しいオーバーライド量を、加工条件の初期設定値と乗算することにより、加工条件を更新していく。【００５９】
例えば図２１(a)では、オーバーライド量変化率（α）を階段状に変化させる例を示している。びびり指数の値が判定用の閾値ｃ１を大きく超えるほど（ｃ５，ｃ６，ｃ７等）、オーバーライド量変化率（α）の１００％からの減少幅を大きくとり（ｐ３，ｐ２，ｐ１等）、超える大きさが小さいときは１００％−α値を小さくとる。これにより、速やかにびびり振動を（発生前の平常状態へ）収束させることができる。【００６０】
また、びびり指数の値が閾値ｃ２よりも小さいときは、１００％よりプラスのオーバーライド量変化率（α）を設定し、より加工効率を高める方向に制御する。このとき、びびり指数の値ｃ１〜ｃ２の間は、α＝１００％とすることにより、制御のチャタリングを防止することができる。１００％よりプラスのオーバーライド量変化率（α）は、びびり指数の値がｃ２を大きく下回るほど１００％より大きなプラス値を、ｃ２に近いときには小さなプラス値をとるように設定する。【００６１】
図２１(a)の例に限らず、例えば図２１(ｂ)のように、直線や曲線を用いることもできる。特に、Ａのような曲線の場合、びびり指数の値がｃ１やｃ２に近いところではオーバーライド量変化率（α）が１００％より変化幅は小さくなっており、制御のチャタリングをより防止する効果がある。【００６２】
また、図２２には、一般的な切削加工条件での安定限界線図を示す。図２１(a)のオーバーライド量変化率（α）のステップ幅（ST）を設定する方法について説明する。
図２２で、Ａで示す安定限界線より下の領域は、びびり振動が発生しない安定条件（安定領域）を示し、安定限界線より上の領域は、びびり振動が発生して不安定な加工となる不安定条件（不安定領域）を示す。横軸は工具回転数（min-1）（工具１４の軸１４ａ周りの回転数）、縦軸は軸切込量（ｋとする）（被削材４に工具１４（軸１４ａ）を切り込む量）を示す。PWは周期の幅である。Ａの安定限界線は、図示のように周期的にピーク値をとり、そのピーク位置（ｐとする）は次式、
(数６)    ｐ＝６０・ｆ０／（Ｎ・ｎ）
で表される。ここで、ｆ０は工具１４の固有振動数、Ｎはチップの枚数とする。ｎは１以上の整数をとる。【００６３】
加工能率を上げる方法の一つとして、軸切込量（ｋ）を大きくして単位時間あたりの除去量を大きくする方法が有効である。びびり振動を発生させないで軸切込量（ｋ）を大きくするためには、Ａの安定限界線の安定領域内でピーク位置の加工条件を使用することが有効である。例えばｆの点である。したがって、初期加工条件の導出の際には、前述のシミュレーション等を用いて、図２２のようなピーク位置（ｐ）の値を算出し、初期加工条件を導出することができる。【００６４】
しかしながら、工具１４や被削材４の材料特性や形状寸法の誤差などにより、Ａの安定限界線には誤差が含まれるため、必ずしも導出された条件が最適であるとは限らない。そこで、前述の図２１で示した方式を用いて、加工条件を安定限界線（Ａ）のピーク位置へ誘導する。例えばｆの点を上方のピーク位置の点へ近付ける。このとき、例えば図２１(a)のオーバーライド量変化率（α）のステップ幅STは、図２２の幅PWの数分の一（例えば１／５以下）程度であることが望ましい。【００６５】
また、図２３に、びびり振動が発生してしまった場合にそのびびり振動が発生したオーバーライド量を再度使用しないために、オーバーライド量の上限（上限値）を決定（設定）する方法について示す。図２３は、図２１(a)を用いてオーバーライド量変化率（α）を決定した場合におけるオーバーライド量（Ｖとする）の変化例を表している。初期加工条件で切削加工を開始し、時間０〜Ｔ３までは、びびり振動が発生していないと判定されたため、オーバーライド量変化率（α）は１００％よりプラスとなり、オーバーライド量（Ｖ）が増加していく。オーバーライド量（Ｖ）が増加することにより、びびり振動が発生しやすい条件となり、びびり指数の値が判定用閾値（図２１のｃ１）を超えたところ（時点Ｔ３）で、びびり振動発生と判定される。このときのオーバーライド量（Ｖ）であるｖ３を記憶しておく。このようにびびり振動発生と判定されると、びびり振動を抑制するためオーバーライド量（Ｖ）を減少させる。一定時間経過後、びびり振動が再発していなければ、またオーバーライド量（Ｖ）を増加させていくが、上記びびり振動が発生したとき（Ｔ３）に記憶しておいたオーバーライド量ｖ３よりも小さい値（例えばｖ３の９０％の値）を上限値としておく。これにより、一度びびり振動を発生させた条件を再度使用しないようにすることで、安定した加工を実現できる。【００６６】
また図２３では、時点Ｔ４（オーバーライド量ｖ４）で再度びびり振動を検出したとする。そのため、びびり振動を検出したオーバーライド量をそのｖ４として記憶し直し（更新）、同様に、びびり振動を抑制するようにオーバーライド量（Ｖ）を減少させる。一定時間経過後、びびり振動が再発していなければ、再度オーバーライド量（Ｖ）を増加させる。例えば時点Ｔ５でｖ４の９０％の値（ｖ５）に達したため、オーバーライド量の増加を停止させる。【００６７】
次に、図２４に、図２１(a)、図２３にて説明した加工条件を動的に制御するアルゴリズムを示す。【００６８】
ステップＳ３０１において、初期値を設定する。オーバーライド量（Ｖ）とオーバーライド量変化率（ここではδとする）の初期値を１００とし、オーバーライド量の上限値（ＶＣとする）を、オーバーライド量が取り得る最大値（max）とし、時刻の変数Ｔcに初期値t0を設定する。
ステップＳ３０２において、びびり指数を測定する指示を待ち、指示を確認したら、次のステップＳ３０３へ進む。【００６９】
ステップＳ３０３において、びびり指数の値（ここではＨとする）を算出する。
ステップＳ３０４において、上記びびり指数の値Ｈが所定の判定用閾値ｃ１以上である場合（Ｈ≧ｃ１）、びびり振動が発生していると判定する。そして、以下、図２１(a)に示す階段状のオーバーライド量変化率（α＝δ）の設定条件をびびり指数値Ｈの大きさに応じて分岐するフローによってα＝δ値を確定する。例えばＨ＜ｃ５の場合はδ＝ｐ４、Ｈ＜ｃ６の場合はδ＝ｐ３、Ｈ＜ｃ７の場合はδ＝ｐ２、それ以外はδ＝ｐ１、となる。【００７０】
ステップＳ３０５において、上記オーバーライド量変化率（δ）の確定後、現在のオーバーライド量（Ｖ）を、オーバーライド量上限値（ＶＣ）に代入して新たな上限値とする。
更に、ステップＳ３０６において、現時点の時刻（ｔ）をＴｃに記憶する。
次に、ステップＳ３０７において、現在のオーバーライド量（Ｖ）とオーバーライド量変化率（δ）を乗算することにより、新しいオーバーライド量（Ｖ）を算出する。
ステップＳ３０８において、当該新しいオーバーライド量（Ｖ）を記憶する。記憶された新オーバーライド量（Ｖ）は、新しい加工条件を算出するために用いられる。【００７１】
ステップＳ３０９において、現在の加工条件に新しいオーバーライド量（Ｖ）を乗算することにより、新しい加工条件を算出して、加工装置(工作機械)１０の加工条件を変更する。この処理は、例えば図１２に示すように、加工制御ＰＣ３０とＮＣ制御装置１７が別々の装置として構成される場合には、加工制御ＰＣ３０において新しい加工条件を算出して、通信ケーブル９０を介して、算出した新しい加工条件をＮＣ制御装置１７へ送信して、加工装置(工作機械)１０の制御に使用する。【００７２】
ステップＳ３１０において、前記びびり指数の値Ｈがｃ１未満であった場合（Ｈ＜ｃ１）、例えばＨ＞ｃ２の場合はδ＝１００％とする。Ｈ＜ｃ２の場合、びびり振動が発生していないと判断して、現在時刻（ｔ）と前記記憶されたＴｃとの差（ｔ−Ｔｃ）が所定値（ここではＴ１とする）以上であるか判定する。これは、びびり振動が最後に発生した時刻からの経過時間を判定するものであり、所定値Ｔ１以上の時間が経過した場合、びびり振動が抑制されたと判定するものである。【００７３】
ステップＳ３１１において、上記びびり振動が抑制されたと判定された場合、図２１(a)に示す階段状のオーバーライド量変化率（α）の設定条件をびびり指数の値Ｈの大きさに応じて分岐するフローで値を確定する。例えばＨ＞ｃ３の場合はδ＝ｐ５、Ｈ＞ｃ４の場合はδ＝ｐ６、それ以外はδ＝ｐ７となる。【００７４】
ステップＳ３１２において、新しいオーバーライド量Ｖ＝Ｖ＊δ／100が、オーバーライド量上限値（ＶＣ）の９０％より超えるかを判定して、超えなければステップＳ３０７へ処理を移し、超えるならば、新しいオーバーライド量Ｖにオーバーライド量上限値（ＶＣ）の９０％を代入して(ステップＳ３１３)、処理をステップＳ３０８へ移す。【００７５】
ステップＳ３１４において、加工条件の更新処理を終了させる指示があれば処理を終了し、終了させる指示が無ければ、再びステップＳ３０２へ処理を移し、以上を繰り返し実行する。【００７６】
また図２５には、図２１(b)、図２３に説明した加工条件を動的に制御するアルゴリズムを示す。図２４でのオーバーライド量変化率（δ）を求めるステップ（Ｓ３０４，Ｓ３１１）が、図２５では、びびり指数（Ｈ）の関数｛ｆ(Ｈ)，ｇ(Ｈ)｝となっている。【００７７】
ステップＳ３０４において、例えばびびり指数の値Ｈがｃ１以上の場合、びびり振動が発生していると判断して、関数ｆ(Ｈ)を用いてδ値を決める。
ステップＳ３１１において、びびり指数の値Ｈがｃ２以下の場合には、びびり振動に対して余裕があると判断して、関数ｇ(Ｈ)を用いてδ値を決める。びびり指数の値Ｈがｃ１より小さくｃ２以上の場合は、チャタリング防止のため、δ＝１００％とする。【００７８】
加工制御ＰＣ３０において、以上のような処理（アルゴリズム）を実行して、例えば加工中に、所定の時間間隔の頻度でびびり指数測定指示を発行して、新しいオーバーライド量Ｖを更新して、ＮＣ制御装置１７へ加工条件を変更する指示を出力する運用が考えられる。また、必要に応じて、本処理（アルゴリズム）の実行頻度を高めることが適切である。本発明の処理により、加工条件によらず、一定の閾値で、びびり振動の発生を判定できるため、適切に閾値を設定することができ、これにより異常検知の精度が向上する。また、びびり振動が発生する直前の加工条件で安定的で高能率な切削加工が実現できる。【００７９】
以上説明したように、本実施の形態によれば、５軸加工機（工作機械１０）で曲面形状の被削材４を固定した加工テーブル１（被削材固定治具）が回転・傾斜して移動するような切削加工の状態においても、加工面での被削材４と工具１４に加わる切削力（成分）を正確に測定（検出）できる。その結果、曲面切削加工などでの切削中におけるびびり振動や工具摩耗過大や欠損などの異常をその発生前に検知することができ、加工条件を好適に制御することができる。従って、切削加工の高能率化とこれによる加工品の低コスト化などを実現できる。【００８０】
以上、本発明者によってなされた発明を、前記発明の実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記発明の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において変更可能であることは勿論である。
【符号の説明】
【００８１】
１・・・被削材固定治具、２・・・力センサ、３・・・加速度センサ、４・・・被削材、５・・・ツールパス、１０・・・工作機械、１１・・・フレーム、１２・・・主軸テーブル、１３・・・主軸、１４・・・切削工具、１４ａ・・・切削工具の中心軸、
１５・・・加工領域、１６・・・テーブル、１７・・・ＮＣ制御装置、
２０・・・力センサアンプ部、２１・・・加速度センサアンプ、３０・・・加工制御ＰＣ、
４０・・・演算部、４１・・・力センサ計測部、４２・・・加速度計測部、
４３・・・切削力変換部、４４・・・切削座標値取得部、４５・・・切削力比較部、
４６・・・除去ボリューム算出部、４７・・・異常判定部、５０・・・記憶部、
５１・・・被削材・テーブル重量記憶部、５２・・・切削力・加速度測定値記憶部、
５３・・・切削座標値記憶部、５４・・・切削位置・加工条件記憶部、
５５・・・異常検知しきい値記憶部、５６・・・プログラム、５７・・・データ、
６１・・・入力部、６２・・・出力部、６３・・・通信部、８０・・・３次元ＣＡＤ、
８１・・・３次元ＣＡＭ、９０・・・ネットワーク、１００・・・円テーブル、
１０１・・・トラニオンテーブル、１０７・・・切削位置・加工条件記憶部、
１０８・・・切削力計算値記憶部、１０９・・・切削力しきい値記憶部、
１１０・・・素材ＣＡＤデータ、１１１・・・加工領域、１１２・・・切削工具、
１１３・・・ツールパス、１１４，１１５，１１７，１１８・・・切削位置、
１１６・・・ツールパス上の進路に変化がある曲がり角点(または折り返し点)
２００・・・入力画面、２０１・・・加工に用いるＮＣファイル、２０２・・・工具情報のファイル、２０３・・・切削力/加工状態算出情報ファイル、２０４・・・切削力出力画面、２０５・・・短時間での切削力波形を画面出力するためのボタン、２０６・・・切削力波形、２０７・・・平均的な切削力表示画面、２０８・・・平均的な切削力表示ボタン、２０９・・・加速度出力画面、２１０・・・加速度波形表示ボタン、２１１・・・加速度波形、２１２・・・ワーク重量出力画面、２１３・・・重量変化表示ボタン、
２１４・・・ワーク重量変化、２１５・・・切削力の振動成分出力画面、２１６・・・切削力振動表示ボタン、２１７・・・切削力振動画面、２１８・・・加工中のびびり振動表示画面、２１９・・・びびり指数ボタン、２２０・・・びびり振動状態表示、
２３０・・・ワーク情報の入力画面、２３１・・・ワークの材質、２３２・・・ワーク初期重量、２３３・・・治具重量、２４１・・・切削力振動振幅成分、２４２・・・工具の振動振幅成分。
【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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【国際調査報告】
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