(57)【要約】【課題】工作機械の消費エネルギを機械由来の機械駆動エネルギと加工由来の加工エネルギとにより評価可能とした数値制御装置を得ること。【解決手段】電力消費要素を駆動して被加工物４を加工する工作機械２を数値制御するための数値制御装置１であって、工作機械２の稼動による消費エネルギを計算するエネルギ計算部１２を有し、エネルギ計算部１２は、電力消費要素の駆動に伴って消費される機械消費エネルギを消費エネルギの総量から差し引くことにより、被加工物４への加工に伴って消費された加工エネルギとして算出する。【選択図】図１
2011138463.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力消費要素を駆動して被加工物を加工する工作機械を数値制御するための数値制御装置であって、
前記工作機械の稼動による消費エネルギを計算するエネルギ計算手段を有し、
前記エネルギ計算手段は、前記電力消費要素の駆動に伴って消費される機械消費エネルギを前記消費エネルギの総量から差し引くことにより、前記被加工物への加工に伴って消費された加工エネルギとして算出することを特徴とする数値制御装置。
【請求項２】
前記機械消費エネルギは、前記工作機械のうち前記被加工物を加工する工具を動作させる可動部で消費される動作消費エネルギと、前記工作機械のうち前記可動部以外の前記電力消費要素である周辺機器部で消費される周辺機器消費エネルギと、を含むことを特徴とする請求項１に記載の数値制御装置。
【請求項３】
前記エネルギ計算手段は、前記被加工物の加工工程ごとの前記機械消費エネルギ及び前記加工エネルギを算出することを特徴とする請求項１または２に記載の数値制御装置。
【請求項４】
複数の工具を使って前記被加工物を加工する工作機械を数値制御し、
前記エネルギ計算手段により算出された前記機械消費エネルギおよび前記加工エネルギのデータを、前記工具ごとに分けて出力する出力手段をさらに有することを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の数値制御装置。
【請求項５】
前記出力手段は、前記加工エネルギのデータを時系列データとして出力することを特徴とする請求項４に記載の数値制御装置。
【請求項６】
前記出力手段は、前記加工エネルギのデータを、前記工具により前記被加工物を加工した単位加工量ごとのデータとして出力することを特徴とする請求項５に記載の数値制御装置。
【請求項７】
前記出力手段は、前記機械消費エネルギおよび前記加工エネルギのデータをグラフィック表示する表示手段を備えることを特徴とする請求項４から６のいずれか一つに記載の数値制御装置。
【請求項８】
前記表示手段は、少なくとも前記加工エネルギのデータを加工条件ごとに表示することを特徴とする請求項７に記載の数値制御装置。
【請求項９】
前記被加工物を加工する工具ごとの前記加工エネルギの推移に基づいて、当該工具による加工の継続及び停止を判定することを特徴とする請求項１から８のいずれか一つに記載の数値制御装置。
【請求項１０】
電力消費要素を駆動して被加工物を加工する工作機械を数値制御するための数値制御装置であって、
前記工作機械の稼動による消費エネルギを計算するエネルギ計算手段を有し、
自動運転のための加工プログラムが選択されている期間のうち、前記自動運転のための第１のモードの期間における前記消費エネルギと、前記第１のモードの期間以外の第２のモードの期間における前記消費エネルギと、を合計して算出することを特徴とする数値制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工作機械の数値制御のための数値制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、機械加工における電力の有効利用や消費電力低減のために、消費電力を算出および画面表示によって監視する機能を持たせた数値制御装置が提案されている。例えば、特許文献１には、電力消費要素における積算電力量と実稼動時の使用電力の積算との比である電力使用効率を表示する方法が提案されている。また、特許文献２には、同じ動作サイクルを繰り返し実施する場合における１サイクル当たりの消費電力を求めて表示する消費電力表示装置が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−２４３７７６号公報
【特許文献２】特許第３０８８４０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
工作機械による加工において必要となるエネルギには、機械装置のモータ等の駆動によって消費される機械由来の機械駆動エネルギや、例えば切削工具による切削などの加工によって消費される加工由来の加工エネルギが含まれる。このうち加工エネルギは、被加工物の材質、加工速度などのさまざまな条件に応じて変化する。機械駆動エネルギには、工作機械の可動部の動作によって消費されるようなエネルギや、電源を投入する間一定に消費されるようなエネルギがさらに含まれる。このように、工作機械でエネルギを消費する要素にはさまざまなものがあり、消費エネルギ削減のための対策はその消費要素ごとに大きく異なってくる。消費エネルギの効果的な低減を図るには、消費エネルギの内訳がある程度把握でき、それぞれを評価可能であることが望ましいといえる。
【０００５】
従来技術の場合、工作機械全体の消費電力を一括して算出および表示する構成となることから、消費エネルギの内訳を知るには、消費要素ごとの測定手段が別途用いられることになる。例えば、切削の加工エネルギを測定するには、工具と工作機械の間、あるいは被加工物と工作機械の間などに、切削動力計などの測定手段を使用することになる。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、工作機械の消費エネルギを機械由来の機械駆動エネルギと加工由来の加工エネルギとにより評価可能とした数値制御装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、電力消費要素を駆動して被加工物を加工する工作機械を数値制御するための数値制御装置であって、前記工作機械の稼動による消費エネルギを計算するエネルギ計算手段を有し、前記エネルギ計算手段は、前記電力消費要素の駆動に伴って消費される機械消費エネルギを前記消費エネルギの総量から差し引くことにより、前記被加工物への加工に伴って消費された加工エネルギとして算出することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、工作機械の消費エネルギを機械駆動エネルギと加工エネルギとにより評価することが可能となるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１に係る数値制御装置および工作機械のブロック構成を示す図である。
【図２】図２は、エネルギ計算部における計算の手順を示すフローチャートである。
【図３】図３は、エネルギ表示部による消費エネルギ（消費電力量）の表示例を示す図である。
【図４】図４は、実施の形態２による時系列データの表示例を示す図である。
【図５】図５は、エネルギ計算部での計算により時系列データを生成する手順を示すフローチャートである。
【図６】図６は、加工エネルギと加工条件との関係の表示例を示す図である。
【図７】図７は、特定の工具での加工による加工エネルギの推移の例を示す図である。
【図８】図８は、実施の形態４における消費エネルギの算出について説明する図である。
【図９】図９は、エネルギ計算部で消費エネルギを算出する手順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】
【００１０】
以下に、図面に基づいて、本発明に係る数値制御装置の実施の形態を詳細に説明する。
【００１１】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る数値制御装置１および工作機械２のブロック構成を示す図である。図中の実線矢印は電源供給経路、破線矢印は信号伝達経路をそれぞれ表している。数値制御装置１は、工作機械２を数値制御する。工作機械２は、回転する工具３と、ワークテーブルに設置された被加工物（ワーク）４との相対運動により、被加工物４を所望の形状に加工する。工具３は、主軸頭５に組み込まれた主軸モータを駆動することで回転する。工具３と被加工物４との相対運動は、複数の可動軸（不図示）に取り付けられた複数のサーボモータを制御することで実現される。
【００１２】
主軸モータ駆動部６は、主軸モータを駆動する。サーボモータ駆動部７は、サーボモータを駆動する。なお、一般的な可動軸の構成例として、例えば直進軸としては回転モータとボールねじとを組み合わせたもの、リニアモータを使用するもの、回転軸としてはサーボモータとウォームギアを組み合わせたもの、ダイレクトドライブモータによるものが挙げられる。
【００１３】
本実施の形態において可動部とは、電力消費要素のうち、工具３と被加工物４とを相対運動させるために動作させる部分、例えば主軸モータやサーボモータ、アーム等が含まれる。周辺機器部８は、可動部以外の電力消費要素、例えば、主軸モータの冷却のための冷却装置、油圧を生じさせるコンプレッサ、工具３の交換のためのＡＴＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ  Ｔｏｏｌ  Ｃｈａｎｇｅｒ）装置、切り屑を排出させるチップコンベア等を含む。なお、数値制御装置１、主軸モータ駆動部６およびサーボモータ駆動部７も、電力消費要素に含まれる。数値制御装置１、主軸モータ駆動部６、サーボモータ駆動部７および周辺機器部８には、トランスやコンバータ等からなる電力変換部９を介して、工場電源より電力Ｐが供給されている。
【００１４】
電力変換部９は、電源供給の状態を表す電源供給信号Ｓ３を出力する。例えば、電力変換部９が電力測定手段や電力計算機能を備える場合は、電力量を表す電源供給信号Ｓ３が採用される。また、電源供給信号Ｓ３としては、電力量の計算に使用されるパラメータの組み合わせ、例えば、電流および電圧、トルクおよび回転速度を伝達するものであっても良い。
【００１５】
数値制御装置１は、ＮＣ制御部１１、エネルギ計算部（エネルギ計算手段）１２及びエネルギ表示部（表示手段）１３を有する。ＮＣ制御部１１は、入力された運動指令信号Ｓ０を解析して可動部に対する駆動指令信号Ｓ１１、Ｓ１２、周辺機器部８に対する動作指令信号Ｓ２を生成する。運動指令信号Ｓ０は、ＮＣプログラムや手動ハンドル等を介して、オペレータによって入力される。運動指令は、被加工物４に対する工具３の運動や、周辺機器部８の動作を表す指令である。
【００１６】
駆動指令信号Ｓ１１、Ｓ１２は、それぞれ主軸モータ駆動部６、サーボモータ駆動部７へ伝達される。駆動指令は、各モータの位置、角度、速度などに関する指令である。動作指令信号Ｓ２は、周辺機器部８へ伝達される。動作指令は、周辺機器部８の要素ごとの動作に関する指令である。駆動指令信号Ｓ１１、Ｓ１２および動作指令信号Ｓ２は、例えば、通信ケーブルを介して伝達される。
【００１７】
主軸モータ駆動部６は、駆動指令信号Ｓ１１に応じた駆動電圧Ｖ１を主軸モータへ印加する。主軸モータは、駆動指令信号Ｓ１１に応じて制御される。サーボモータ駆動部７は、駆動指令信号Ｓ１２に応じた駆動電圧Ｖ２をサーボモータへ印加する。サーボモータは、駆動指令信号Ｓ１２に応じて制御される。周辺機器部８は、動作指令信号Ｓ２に応じて制御される。
【００１８】
主軸モータの駆動状態を表す駆動データＤ１１は、主軸モータ駆動部６からＮＣ制御部１１へ伝達される。サーボモータの駆動状態を表す駆動データＤ１２は、サーボモータ駆動部７からＮＣ制御部１１へ伝達される。モータの駆動状態としては、例えば、モータの位置や角度、回転速度、電流、電圧、温度および効率などを採用する。周辺機器部８の動作状態を表す動作データＤ２は、周辺機器部８からＮＣ制御部１１へ伝達される。機器の動作状態としては、例えば、機器を動かすモータのＯＮ、ＯＦＦや回転数、温度、圧力、電流および電圧などを採用する。駆動データＤ１１、Ｄ１２および動作データＤ２は、例えば、通信ケーブルを介して伝達される。
【００１９】
エネルギ計算部１２は、工作機械２の稼動による消費エネルギを計算する。エネルギ計算部１２へは、ＮＣ制御部１１からの駆動データＤ１１、Ｄ１２、動作データＤ２と加工条件、電力変換部９からの電力Ｐに対応した電力信号が入力される。例えば切削加工における加工条件としては、工作機械２に使用される工具３の種類や識別番号、切削速度、送り速度、切り込み幅や切り込み深さに等に関するデータが用いられる。エネルギ計算部１２は、入力されたデータや信号の全て、複数の組み合わせ、または一つを基にして、機械消費エネルギと加工エネルギとを算出する。エネルギ表示部１３は、エネルギ計算部１２で算出された機械消費エネルギおよび加工エネルギのデータをグラフィック表示として出力する出力手段として機能する。
【００２０】
加工エネルギは、工具３による被加工物４への加工に伴って消費されるエネルギとする。例えば、一般的な切削加工の場合、主に、工具および被加工物の間に作用するせん断力や、工具逃げ面、すくい面で生じる摩擦力に相当する消費エネルギが、被加工物の材質、切削速度、切り込み量、切削油の有無等のさまざまな条件により異なってくる。
【００２１】
機械消費エネルギは、電力消費要素の駆動に伴って消費されるエネルギとする。機械消費エネルギは、工作機械２の可動部に必要な動作をさせて消費される動作消費エネルギと、周辺機器部８で消費される周辺機器消費エネルギとに分けられる。動作消費エネルギは、所定の質量あるいは慣性を有する機械構造物を、所定の加速度および速度で、所定距離を運動させるために必要となるエネルギである。動作消費エネルギには、摩擦や重力などの外乱要因に抗して運動させるために必要となるエネルギも含まれる。
【００２２】
図２は、エネルギ計算部１２における計算の手順を示すフローチャートである。ステップＳ１０１では、加工中における工作機械２の消費エネルギの総量を計算する。例えば、工作機械２について電力変換部９で測定された全消費電力をＷａｌｌ［Ｗ］とすると、式（１）に示すように、工作機械２の消費エネルギの総量Ｅａｌｌ［Ｊ］は、Ｗａｌｌの積分により求められる。
【００２３】
【数１】
2011138463.tif 000003
【００２４】
ここで、ｔ１は測定開始時刻、ｔ２は測定終了時刻とする。例えば、製品一つ当たりの消費エネルギを測定する場合は、ｔ１は一つの製品についての加工開始時刻、ｔ２はその加工終了時刻に相当する。また、ある工具３を使用する間の消費エネルギを測定する場合は、ｔ１はその工具３の使用開始時刻、ｔ２はその使用終了時刻に相当する。例えば、切削加工における単位切削距離Ｌ［ｍ］当たりの消費エネルギを測定する場合は、式（２）を満足するｔ１、ｔ２を設定する。単位切削体積Ｖ［ｍ３］当たりの消費エネルギを測定する場合は、式（３）を満足するｔ１、ｔ２を設定する。
【００２５】
（ｔ２−ｔ１）＝Ｌ／Ｆ    （２）
（ｔ２−ｔ１）＝Ｖ／（Ｄ・Ｈ・Ｆ）    （３）
【００２６】
ここで、Ｆは送り速度［ｍ／ｓ］、Ｄは切り込み幅［ｍ］、Ｈは切り込み深さ［ｍ］とする。これらのパラメータは、ＮＣ制御部１１から伝達される加工条件に含まれている。なお、切削距離とは、被加工物４に対して工具３を相対移動させた距離とする。切削体積とは、工具３を使用した切削により被加工物４から除去された部分の体積とする。
【００２７】
主軸モータの消費エネルギは、主軸モータ駆動部６からＮＣ制御部１１へ伝達される駆動データＤ１１を用いて、いくつかの方法により計算可能である。なお、以下に説明する方法は、サーボモータの消費エネルギについても、サーボモータ駆動部７からＮＣ制御部１１へ伝達される駆動データＤ１２を用いて同様に計算可能である。
【００２８】
例えば、モータ電流を二相変換した場合の、モータのｑ軸、ｄ軸における電圧をそれぞれＶｑ、Ｖｄ［Ｖ］、電流をそれぞれＩｑ、Ｉｄ［Ａ］とする。式（４）に示すように、モータの消費エネルギＥｍ［Ｊ］は、ｑ軸とｄ軸の電流および電圧の積の和として電力を求め、さらに積分することで計算できる。これにより、各モータそれぞれの消費エネルギが求められる。
【００２９】
【数２】
2011138463.tif 000004
【００３０】
主軸モータおよびサーボモータの消費エネルギの総量は、式（４）により各モータについて求められた消費エネルギの総和となる。なお、一般に、ｄ軸の電流、電圧は、ｑ軸の電流、電圧に比べてそれぞれ小さい場合が多いことが知られている。ｄ軸の電流および電圧を無視したとしても本実施の形態における計算結果への影響は小さいといえることから、ｄ軸の電流および電圧を除外して計算することとしても良い。
【００３１】
モータ電機子の抵抗Ｒ［Ω］、およびｑ軸、ｄ軸のインダクタンスＬｑ、Ｌｄ［Ｈ］が駆動データＤ１１、Ｄ１２に含まれる場合は、式（５−１）、（５−２）により電圧Ｖｑ、Ｖｄを計算して、式（４）に代入することとしても良い。
【００３２】
Ｖｑ＝（Ｒ＋ｐＬｑ）Ｉｑ＋ωＬｄＩｄ＋ωφ    （５−１）
Ｖｄ＝（Ｒ＋ｐＬｄ）Ｉｄ−ωＬｑＩｑ    （５−２）
【００３３】
ここで、ｐは微分演算子、ωは電機角回転数［ｒａｄ／ｓ］、φはモータ磁束［Ｗｂ］とする。これらの値は、誘起電圧定数や対極数から公知の手法により計算される。
【００３４】
また、モータの効率ηのおおよその値が既知であれば、式（６）に示すように、モータの消費エネルギＥｍ［Ｊ］は、トルクＴｍ［Ｎｍ］および回転角速度ωｍ［ｒａｄ／ｓ］の積を効率ηで除算することで電力を求めてさらに積分して得ても良い。トルクＴｍ［Ｎｍ］は、電流Ｉｑ［Ａ］およびトルク定数Ｋｔ［Ｎｍ／Ａ］の積として求められる。なお、一般的なモータの効率ηは、０．８から０．９程度であることが知られている。
【００３５】
【数３】
2011138463.tif 000005
【００３６】
一般的に、モータの出力特性は、回転数に依存することとなる。また、モータへの駆動指令において、電流は、モータの定格電流に対する割合［％］として表される場合が多い。例えば、回転数と出力との関係が既知である場合、あるいは仕様として与えられているモータについて、モータの消費エネルギＥｍ［Ｊ］は、式（７）に示すように、定格出力および定格電流に対する電流の比の積をηで除算することで電力を求めてさらに積分して得ても良い。ここで、Ｗｍ（ωｍ）［Ｗ］は、回転角速度ωｍ［ｒａｄ／ｓ］により変化する定格出力である。Ｉは、駆動指令あるいはフィードバックにおいて定格電流に対する割合として表された電流［％］とする。
【００３７】
【数４】
2011138463.tif 000006
【００３８】
一般的に、サーボモータの多くは、定格ストールトルクが既知であって、回転数およびトルクの関係で特性が表される。この場合、式（７）の定格出力に代えて、定格ストールトルクＴｓ［Ｎｍ］および回転角速度ωｍ［ｒａｄ／ｓ］を用いることで、式（８）のように計算できる。
【００３９】
【数５】
2011138463.tif 000007
【００４０】
周辺機器部８で消費される周辺機器消費エネルギは、周辺機器部８全体を稼動させた際の電力を測定してＮＣ制御部１１へ伝達しても良く、周辺機器部８を駆動する各モータの消費エネルギを式（４）から（８）のいずれかによって求めた総和として計算しても良い。また、稼動中の消費電力が一定あるいは一定とみなせる機器については、仕様上の消費電力あるいは別途測定された消費電力を定数Ｗｐ［Ｗ］と表せる。その機器についての消費エネルギＥｐ［Ｊ］は、式（９）に示すように、定数Ｗｐを積分することにより計算しても良い。
【００４１】
【数６】
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【００４２】
周辺機器部８における消費エネルギは、電力変換部９で測定された電力から計算された消費電力Ｅａｌｌから、主軸モータおよび各サーボモータの消費エネルギＥｍの総和を差し引くことにより求めても良い。
【００４３】
ステップＳ１０２において、エネルギ計算部１２は、機械消費エネルギを計算する。機械消費エネルギは、工作機械２の消費エネルギの総和のうち加工エネルギ以外の消費エネルギであることから、加工を伴わない状態で工作機械２を稼動させた場合の消費エネルギに相当する。例えば、加工の準備段階における工作機械２の試運転の際に電力変換部９で測定された消費電力を基にして消費エネルギを求め、記憶しておく。これにより、加工中における機械消費エネルギを正確に推定することができる。
【００４４】
モータのトルクＴｍ［Ｎｍ］は、式（１０）によって簡易的に計算可能である。駆動データＤ１１、Ｄ１２に含まれる回転角速度ωｍ［ｒａｄ／ｓ］を使用して式（１０）によりトルクＴｍを求め、回転角速度ωｍおよびトルクＴｍを式（６）に代入することで、モータの消費エネルギを簡易的に計算できる。
Ｔｍ＝Ｊωｍ＋ｃωｍ＋ｆ・ｓｇｎ（ωｍ）＋ｄ    （１０）
【００４５】
ここで、Ｊはモータ軸換算の慣性モーメント［ｋｇｍ２］、ｃはモータ軸換算の粘性摩擦係数［Ｎｍ／（ｒａｄ／ｓ）］、ｆはモータ軸換算のクーロン摩擦トルク［Ｎｍ］とする。ｓｇｎは符号関数であって、回転角速度ωｍが正の値であるときは＋１、負の値であるときは−１、ゼロのときはゼロ、とする。ｄは、重力による負荷トルク［Ｎｍ］であって、鉛直軸に作用するものとする。アンバランスな質量を持つ傾斜テーブルのような場合には、重力による負荷トルクｄの値が、傾斜角度に応じて変化する。これらの値は機械ごとに異なるが、例えば、正弦波往復運動時のモータトルク波形等から、公知の手法により同定可能である。
【００４６】
なお、モータの電気回路や制御系、機械の振動特性も加味されたさらに詳細な数学モデルを適用して、モータのトルク、回転角速度、電流あるいは電圧を推定することとしても良い。これにより、機械消費エネルギをさらに正確に推定することができる。
【００４７】
ステップＳ１０３において、エネルギ計算部１２は、ステップＳ１０２で算出された機械消費エネルギを消費エネルギ総量から差し引くことにより、加工エネルギを計算する。加工中における消費エネルギ総量とは、機械消費エネルギおよび加工エネルギの和に相当する。このため、消費エネルギ総量と機械消費エネルギとの差分を、加工エネルギと推定することができる。ステップＳ１０４において、数値制御装置１は、ステップＳ１０３で算出された加工エネルギと、ステップＳ１０２で算出された機械消費エネルギとを記憶する。
【００４８】
図３は、エネルギ表示部１３による消費エネルギの表示例を示す図である。ここでは、消費エネルギを消費電力量［Ｗｈ］により示している。エネルギ表示部１３は、エネルギ計算部１２での計算により測定あるいは推定され、数値制御装置１に記憶された加工エネルギと機械消費エネルギとを、棒グラフとして表示する。機械消費エネルギは、可動部で消費される動作消費エネルギと、周辺機器部８で消費される周辺機器消費エネルギとに分けて表示される。
【００４９】
エネルギ計算部１２は、被加工物４の加工工程ごとの加工エネルギ、動作消費エネルギおよび周辺機器消費エネルギを算出する。数値制御装置１は、加工工程と関連付けして加工エネルギ、動作消費エネルギおよび周辺機器消費エネルギを記憶する。エネルギ表示部１３は、加工工程ごとに、加工エネルギ、動作消費エネルギおよび周辺機器消費エネルギを表示する。これにより、切削動力計などを使用しなくても、工作機械２の消費エネルギを、加工エネルギ、動作消費エネルギおよび周辺機器消費エネルギについて評価することができる。かかる評価により、消費エネルギを削減するために加工条件、可動部、周辺機器部のいずれを改善すべきかを判断することが可能となる。さらに、加工工程との関連付けにより、消費エネルギを削減するために改善すべき加工工程の明確な判断も可能となる。
【００５０】
この例の場合、エネルギ表示部１３は、「荒削り」、「中仕上げ」、「仕上げ」の各工程について表示している。グラフの縦軸は消費電力量［Ｗｈ］、横軸は各加工工程を表している。加工工程の名称とともに表示された（Ｔ１）、（Ｔ２）、（Ｔ３）は、それぞれの加工に使用される工具３の識別番号を表している。また、この例では、加工工程ごとの各消費エネルギと併せて、各加工工程を通しての総電力量を表示している。
【００５１】
工作機械２による加工の多くは、加工工程ごとに異なる複数の工具３が使用されることとなる。加工工程に併せて使用される工具３を表示することで、工具３を持ち代えるごとの加工エネルギの比較が可能となる。これにより、工具３の摩耗状況や切削条件の良否を正確に判断することが可能となる。特に、マニシングセンタやＮＣ旋盤など、多種多様なワークの加工に使用される汎用の工作機械に対しては、多様な加工に対して広く用いられる共通的な加工工程（例えば穴あけなど）の消費エネルギを的確に把握することで、効果的な消費エネルギ削減を図り得る。
【００５２】
数値制御装置１は、加工エネルギ、動作消費エネルギおよび周辺機器消費エネルギを加工工程ごとに算出し表示する場合に限られず、単位時間あるいは単位加工量ごとに算出および表示をすることとしても良い。加工量とは、例えば切削加工の場合は切削距離や切削体積として表される。これにより、加工時間あるいは加工量が多くなるごとの工具３の状況を確認することが可能となる。
【００５３】
エネルギ表示部１３における表示の態様は、本実施の形態で説明する場合に限られず、加工エネルギと機械消費エネルギとを棒グラフ以外のグラフ、例えば折れ線グラフ等で示すこととしても良い。また、加工エネルギおよび機械消費エネルギは、消費電力量などの数値で表示しても良い。出力手段としては、グラフィック表示のための画面を備えるエネルギ表示部１３を用いる他、例えば、印刷による出力を実行するプリンタ等を用いても良い。また、出力手段は、加工エネルギおよび機械消費エネルギを記録媒体へ記録する記録手段や、通信のための通信手段であっても良い。数値制御装置１は、数値制御の対象となり得るものであればいずれの工作機械に対しても広く適用可能である。
【００５４】
実施の形態２．
実施の形態２に係る数値制御装置は、単位加工量あるいは単位時間当たり、または加工工程ごとの加工エネルギのデータを時系列データとして出力可能な出力手段を備えることを特徴とする。数値制御装置の概略構成は実施の形態１と同様であるため、説明には図１に示す構成を用いることとし、本実施の形態の特徴以外の部分についての説明を省略するものとする。
【００５５】
図４は、本実施の形態による時系列データの表示例を示す図である。エネルギ表示部１３は、特定の工具３（この例では「Ｔ１」）を使用する加工工程に関連付けられて数値制御装置１に記憶された加工エネルギを折れ線グラフとして表示する。グラフの縦軸は単位加工量当たりの消費電力量［Ｗｈ］、横軸は任意の単位の時間を表している。
【００５６】
エネルギ表示部１３には、消費電力量が最小となったとき（図中の黒塗り丸印）、および現在（図中の白抜き三角印）の加工条件が、グラフと併せて表示されている。この例では、加工条件として、送り速度Ｆ、および主軸モータ回転数Ｓを表示している。なお、エネルギ表示部１３の表示は、実施の形態１で説明する図３の状態と、本実施の形態で説明する図４の状態とに適宜切り換え可能としても良く、双方が同時に表示されるものとしても良い。
【００５７】
図５は、エネルギ計算部１２での計算により時系列データを生成する手順を示すフローチャートである。ここで説明する手順は、例えば、適宜設定された所定のサンプリング周期ごとに行われる。ステップＳ１１１において、エネルギ計算部１２は、現在なされている加工が予め設定された集計条件に該当するか否かを判定する。例えば、予め選択された工具３（この例では「Ｔ１」）を使用する加工である場合は集計条件に該当すると判定する。それ以外の工具３を使用する加工である場合は集計条件に該当しないと判定し（ステップＳ１１１、Ｎｏ）、その時点でのデータ生成を終了する。
【００５８】
集計条件に該当すると判定した場合（ステップＳ１１１、Ｙｅｓ）、エネルギ計算部１２は、ステップＳ１１２において加工量を計算する。加工量とは、例えば切削加工の場合は切削距離や切削体積として表される。算出された加工量は、後述するステップＳ１１５において次の時刻のデータを算出するまで累積される。ステップＳ１１３では、ステップＳ１１２で算出された加工量があらかじめ設定された単位加工量を超過するか否かを判定する。
【００５９】
加工量が単位加工量を超過していると判定された場合（ステップＳ１１３、Ｙｅｓ）、ステップＳ１１４において、時系列データにおける時刻を表す変数ｋに「１」を加算することで、次の時刻のデータへ進む。変数ｋは、時刻に該当する値、あるいは時系列データの表示に使用されるインデックスに該当する値とする。次の時刻のデータへ進められると、ステップＳ１１５において、加工量を初期化する。続いて、ステップＳ１１６において、その時刻における消費エネルギＥｋを初期化する。
【００６０】
加工量が単位加工量を超過していないと判定された場合（ステップＳ１１３、Ｎｏ）、あるいはステップＳ１１６において消費エネルギＥｋが初期化されると、エネルギ計算部１２は、ステップＳ１１７において電力Ｐを計算する。電力Ｐは、例えば、上記式（１）の右辺に示すＷａｌｌ、あるいは式（４）の右辺に示す（ＶｑＩｑ＋ＶｄＩｄ）などを使用して算出される。次に、エネルギ計算部１２は、ステップＳ１１８において電力Ｐを積分（累積）することにより消費エネルギＥｋを計算する。さらに、エネルギ計算部１２は、図２に示す手順と同様にして、消費エネルギ総量から加工エネルギを抽出する。
【００６１】
仮に、加工に必要なエネルギの時々刻々における瞬時値や単位時間当たりの消費電力を表示したとする。例えば、主軸モータの回転数を一定として送り速度を高くしたとすると、加工負荷が高くなることで時間当たりの消費電力は増加する一方、送り速度を高くすることで加工時間は短くなる。このため、その加工部位全体で必要となる加工エネルギの把握が困難となる。
【００６２】
本実施の形態のように単位加工量当たりとして加工エネルギを表示する場合は、単位加工量当たりの加工エネルギに加工部位全体の加工量を乗ずることで、加工全体で必要となる加工エネルギを求めることが可能となる。単位加工量当たりの加工エネルギと加工部位全体の加工に要する加工エネルギとは比例関係にあって、単位加工量当たりの加工エネルギを小さくできれば、加工部位全体の加工エネルギも小さくなる。
【００６３】
加工現場では、例えばオーバーライドスイッチ等を使用して送り速度や主軸モータの回転数などの加工条件を変えながら試し加工をすることで、最もエネルギ消費の小さい加工条件を探索することが可能となる。また、最もエネルギ消費の小さい加工条件をエネルギ表示部１３に表示させることで、探索された加工条件を容易に認識することが可能となる。なお、本実施の形態は、単位加工量当たりの加工エネルギを時系列データとして出力する場合に代えて、加工工程ごとあるいは単位時間当たりの加工エネルギを時系列データとして出力することとしても良い。
【００６４】
特定の加工部位（例えば、穴、溝、側面、上面等の除去形状あるいは加工フィーチャ）を加工するために消費される加工エネルギと加工条件との関係を、図６に示すように表示することとしても良い。図示する棒グラフは、縦軸に消費電力量［Ｗｈ］、縦軸に各加工条件を表している。このような表示によって、加工条件と消費される加工エネルギとの関係がさらに明確になり、加工条件の調整がさらに容易となる。
【００６５】
また、図６に示す例では、加工エネルギのみならず、動作消費エネルギおよび周辺機器消費エネルギも併せて表示することとしている。加工エネルギと併せて機械消費エネルギも表示することで、双方を含めたトータルの消費エネルギの最小化を図ることが可能となる。図４に示す表示においても、加工エネルギに併せて機械消費エネルギのグラフを表示しても良い。また、図４および図６において、加工エネルギと機械消費エネルギとを合計した消費エネルギを表示することとしても良い。
【００６６】
実施の形態３．
実施の形態３に係る数値制御装置は、工具ごとの加工エネルギの推移に基づいて、当該工具を交換するか否かを判定することを特徴とする。数値制御装置の概略構成は実施の形態１と同様であるため、説明には図１に示す構成を用いることとし、本実施の形態の特徴以外の部分についての説明を省略するものとする。
【００６７】
一般に、多数の被加工物４の加工や長時間の加工を実施する場合、加工個数や加工時間が増えるに従って、工具３の摩耗の進行や、チッピングや折損などの破損が生じるようになる。このような工具３の不具合によって、加工エネルギの大幅増加、チッピングなどの状態によっては加工効率の大幅低下による加工エネルギの減少などの変化が生じることになる。このような加工状態の変化は消費エネルギの浪費、加工精度や加工品質の低下などを生じさせるため、深刻な異常が生じる以前に適切に変化を捉えることが望ましい。
【００６８】
本実施の形態では、エネルギ計算部１２で算出された加工エネルギのデータは、数値制御装置１へ記憶されるとともに、ＮＣ制御部１１へ入力される。ＮＣ制御部１１は、特定の工具３あるいは加工工程における加工エネルギを、予め設定された設定範囲と比較する。加工エネルギが設定範囲を超えている場合や、加工エネルギに大幅な変化があった場合、ＮＣ制御部１１は、当該工具３に異常が生じているものとして、工具３を交換する旨の判定をする。ＮＣ制御部１１による工具交換の判定に応じて、工作機械２は加工を停止する。
【００６９】
本実施の形態の周辺機器部８には、工具交換装置が含まれている。ＮＣ制御部１１は、工具交換の判定をすると、工具交換装置に対して工具交換指令を出力する。工具交換装置は、工具交換指令に従って工具３の交換を実行する。このように、数値制御装置１は、ＮＣ制御部１１で加工エネルギの推移を検出し、その推移に基づいた判定により、当該工具３による加工の継続と、工具３の交換とのいずれかを実行する。
【００７０】
図７は、特定の工具３での加工による加工エネルギの推移の例を示す図である。この例では、単位時間、加工個数、加工ロットなどを横軸、消費電力量［Ｗｈ］を横軸とした棒グラフにより、加工エネルギの推移を表している。特定の工具３を使用した加工が進展するとともに、加工によって生じる加工エネルギは増加することになる。この例では、特に最後の時点において加工エネルギの大幅な増加が確認されており、その時点以降は加工不良が生じる可能性が高くなる。
【００７１】
本実施の形態では、加工不良が生じる可能性が高くなる手前に、交換の目安となる閾値を予め設定し、加工エネルギが閾値を超えた時点で（図中右から２番目の棒グラフの時点）工具３を交換する。これにより、加工不良の発生を未然に防止するとともに、消費エネルギの浪費を抑制することが可能となる。また、使用者の経験に関わらず適切なタイミングで工具３の交換ができ、使用を継続可能な工具３の無駄な交換を抑制させる効果も得られる。なお、工具３の交換の目安となる加工エネルギの閾値は上限のみならず下限を設定することとしても良い。下限を設定することで、加工エネルギの大幅な減少による加工状態の変化を検知することが可能となる。
【００７２】
本実施の形態は、加工エネルギの推移に基づく工具交換指令によって工具３を交換する場合に限られない。少なくとも、工具ごとの加工エネルギの推移に基づく判定により、当該工具３による加工を停止可能なものであれば良い。この場合も、加工不良の発生を未然に防止するとともに、消費エネルギの浪費を抑制する効果を得られる。この場合、当該工具３による加工を停止すると同時に、加工の停止をアラームにより報知することとしても良い。
【００７３】
実施の形態４．
実施の形態４に係る数値制御装置は、自動運転のための加工プログラムが選択されている期間における全消費エネルギを算出することを特徴とする。数値制御装置の概略構成は実施の形態１と同様であるため、説明には図１に示す構成を用いることとし、本実施の形態の特徴以外の部分についての説明を省略するものとする。
【００７４】
ワークの加工前における準備（段取り）では、手動運転によるワークの位置計測や工具３を交換する際などに、エネルギ消費が生じる。ワークの加工後では、手動運転によるワークの搬出、工具３の取り外し、清掃などの後作業において、エネルギ消費が生じる。工作機械２を自動運転させる場合は、自動運転モードにする際の、例えば、工具長や座標オフセット設定のための入力などに、エネルギ消費が生じる。また、自動運転による加工が終了し待機状態となったときの電力消費も生じる。このように、ワークへの加工を停止している期間の消費エネルギも含めて算出することで、工作機械２の消費エネルギをさらに正確に把握することが可能となる。
【００７５】
図８は、本実施の形態における消費エネルギの算出について説明する図である。図中グラフの縦軸は消費電力［Ｗ］、横軸は任意の単位の時間とする。本実施の形態では、自動運転中か否か、あるいは加工中か否かに関わらず、数値制御装置１において選択されている加工プログラムに応じて、現在の消費エネルギを配賦する。一般に、工作機械２の自動運転は、加工プログラムを選択（サーチ）した上で、加工に使用する工具や座標系の確認、補正量の設定をしてから、加工が開始される。その加工の終了後に次の加工を開始するには、次の加工プログラムを選択し、同様の確認や設定がなされる。
【００７６】
例えば、自動運転のための加工プログラムＯ１、Ｏ２、Ｏ３が順次選択されたとする。加工プログラムＯ１、Ｏ２、Ｏ３が選択されている各期間は、自動運転のための自動運転モード（第１のモード）の期間と、手動運転のための手動運転モード（第２のモード）の期間に分けられる。手動運転モードでは、加工プログラムの切り換えに伴う後作業や段取りがなされる。自動運転モードでは、ワークの加工が繰り返される。自動運転モードの期間は、加工するワークの数のワーク加工期間が含まれる。
【００７７】
ここで、加工プログラムＯ２によって３個のワークを加工したとする。加工プログラムＯ２が選択されている期間における消費エネルギは、手動運転モードの段取りの期間における消費エネルギＥＭ１、自動運転モードの期間における消費エネルギＥＡ、手動運転モードの後作業の期間における消費エネルギＥＭ２を合計して算出される。自動運転モードの期間のうち、ワークの加工が終了してから手動運転モードに切り換わるまでの期間ｄは、例えば、加工現場から作業者が不在となって自動運転モードのまま放置された期間などである。
【００７８】
加工プログラムＯ２によるワークの１個当たりの消費エネルギは、式（１１）に示すように、手動運転モードおよび自動運転モードの各消費エネルギＥＭ１、ＥＡ、ＥＭ２を合計して加工個数Ｎ（この例ではＮ＝３）で除算することで得られる。
（ワーク１個当たりの消費エネルギ）＝（ＥＭ１＋ＥＡ＋ＥＭ２）／Ｎ    （１１）
【００７９】
なお、本実施の形態では、エネルギ表示部１３を省略しても良い。ＮＣ制御部１１からエネルギ計算部１２へ伝達される加工条件には、加工プログラムの名称あるいは識別番号が含まれる。本実施の形態における「加工プログラム」とは、ワークごとの加工を単位とするメインプログラムを指すものとする。メインプログラムからサブプログラムを読み出して実行する場合も、選択された加工プログラムはメインプログラムによって識別するように規定されることが望ましい。
【００８０】
図９は、エネルギ計算部１２で消費エネルギを算出する手順を示すフローチャートである。ステップＳ１２１では、選択された加工プログラムに変更があるか否かを判断する。選択された加工プログラムに変更があった場合（ステップＳ１２１、Ｙｅｓ）、ステップＳ１２２において、当該加工プログラムに対応する消費エネルギＥｊを初期化、例えばゼロとする。
【００８１】
選択された加工プログラムに変更が無い場合（ステップＳ１２１、Ｎｏ）、あるいはステップＳ１２２において消費エネルギＥｊが初期化されると、エネルギ計算部１２は、ステップＳ１２３において、上記の実施の形態と同様にして電力Ｐを計算する。次に、エネルギ計算部１２は、ステップＳ１２４において電力Ｐを積分（累積）することにより消費エネルギＥｊを計算する。さらに、エネルギ計算部１２は、ステップＳ１２５において、加工個数Ｎで消費エネルギＥｊを除算することによりワーク１個当たりの消費エネルギを計算する。
【００８２】
なお、手動運転モードの期間における消費エネルギや、ワークの加工から手動運転モードに切り換わるまでの期間ｄにおける消費エネルギは、ワークの加工個数Ｎに関わらず生じることとなる。かかる期間の消費エネルギについては、式（１１）に示す計算によって、Ｎ個のワーク全てについて均等に割り振られたものとみなせる。
【００８３】
本実施の形態によると、ワークの加工中の消費エネルギのみならず、段取りや後作業のための手動運転モードの期間や、自動運転モードであって加工を停止している期間における消費エネルギも含めて算出可能となる。これにより、消費エネルギを正確に把握することが可能となる。また、手動運転モードの期間における消費エネルギや、自動運転モードであって加工を停止している期間における消費エネルギについて、選択された加工プログラムごとに自動的に配賦可能とし、消費エネルギのデータ収集の負担を軽減できる。
【産業上の利用可能性】
【００８４】
以上のように、本発明に係る数値制御装置は、工作機械による加工における電力の有効利用や消費電力削減を図る場合に有用である。
【符号の説明】
【００８５】
１  数値制御装置
２  工作機械
３  工具
４  被加工物
６  主軸モータ駆動部
７  サーボモータ駆動部
８  周辺機器部
１１  ＮＣ制御部
１２  エネルギ計算部
１３  エネルギ表示部
【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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