(57)【要約】      （修正有）【課題】工具の消費電力と工具にかかる瞬間的な負荷の両方を考慮した上で、精度よく工作機械の加工条件又は加工品の加工状態の評価を行うことができる工作機械の切削加工評価装置及び方法を提供する。【解決手段】電動回転工具１１に取り付けられたブレードにより被切削物を断続切削する工作機械の切削加工評価装置２において、回転工具の主軸モータ１２の消費電力を検出する電力検出手段２１と、電力検出手段で検出された消費電力を記憶する記憶手段２２と、記憶手段に記憶された消費電力に基づいて工作機械１の切削条件又は切削加工物の加工状態を評価する演算手段２３とを備え、演算手段は、一のブレードが切削部位に入って抜けるまでの１パスの電力波形を消費電力から抽出する電力波形抽出部２４と、電力波形の総面積と、電力波形を時系列で分割し、各分割領域ごとに算出された分割面積の分散値とに基づいて評価を行う評価演算部２５とを有する。【選択図】図１
2012111009.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動回転工具に取り付けられたブレードにより被切削物を断続切削する工作機械の切削加工評価装置において、
前記回転工具の主軸モータの消費電力を検出する電力検出手段と、
前記電力検出手段で検出された前記消費電力を記憶する記憶手段と、
前記記憶手段に記憶された前記消費電力に基づいて前記工作機械の切削条件又は切削加工物の加工状態を評価する演算手段とを備え、
前記演算手段は、
一の前記ブレードが切削部位に入って抜けるまでの１パスの電力波形を前記消費電力から抽出する電力波形抽出部と、
前記電力波形の総面積と、前記電力波形を時系列で分割し、各分割領域ごとに算出された分割面積の分散値とに基づいて前記評価を行う評価演算部とを有することを特徴とする工作機械の切削加工評価装置。
【請求項２】
前記演算手段は、前記電力波形の総面積が小さく且つ前記分割面積の分散値が小さくなる最適切削条件を演算する最適化条件演算部をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の工作機械の切削加工評価装置。
【請求項３】
前記切削加工は、前記被切削物の荒加工と仕上げ加工とが連続した加工であり、
前記電力波形抽出部では、前記荒加工と前記仕上げ加工とをそれぞれ平均した分散値に基づいて前記評価を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の工作機械の切削加工評価装置。
【請求項４】
前記被切削物がかさ歯車のリングギヤ又はピニオンギヤであり、
前記リングギヤ又は前記ピニオンギヤの一歯を切削中の前記電力波形に基づいて前記評価を行うことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の工作機械の切削加工評価装置。
【請求項５】
回転工具に取り付けられたブレードにより被切削物を断続切削する工作機械の切削加工評価方法において、
前記回転工具の主軸モータの消費電力を検出するステップと、
前記前記電力検出手段で検出された前記消費電力を記憶するステップと、
一の前記ブレードが切削部位に入って抜けるまでの１パスの電力波形を前記記憶手段に記憶された前記消費電力から複数抽出するステップと、
前記複数抽出した前記電力波形を平均した平均電力波形を算出するステップと、
前記平均電力波形の総消費電力量と、前記平均電力波形の振幅の分散値とに基づいて前記工作機械の切削条件又は切削加工物の加工状態を評価するステップとを備えることを特徴とする工作機械の切削加工評価方法。
【請求項６】
前記切削加工を評価するステップでは、前記総消費電力量は前記平均電力波形の面積から算出し、前記平均電力波形の振幅の分散値は前記電力波形を時系列で均等に分割し、各分割領域ごとに算出された分割面積の分散値から求めることを特徴とする請求項５に記載の工作機械の切削加工評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動回転工具に取り付けられたブレードにより被切削物を断続切削する工作機械の切削加工評価装置及び方法に係り、特に、ハイポイドギヤやベベルギヤ等のようなかさ歯車のリングギヤ又はピニオンギヤに歯切加工を施す工作機械に好適に用いられる工作機械の切削加工評価装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、切削加工において、電動回転工具に取り付けられたブレードにより被切削物を断続切削する工作機械が広く用いられている。例えば、ハイポイドギヤやベベルギヤ等のようなかさ歯車の製造工程においてフェイスホブ歯切加工を施す場合、図３に示すように、複数のブレード３１が取り付けられた歯切りカッター１１と、ギヤ歯が形成されるワーク（被切削物）５１とをスピンドル１７、１９により互いに同期制御して回転させ、歯切りカッター１１をワーク５１に切り込ませることによりギヤ歯を形成している。
【０００３】
このような回転工具を用いた切削加工では、工具回転数や傾斜角度、あるいはブレードの切り込み量等の複数の加工条件を有しており、この加工条件の選定は切削加工品の品質や工具の寿命に多大な影響を与えるため極めて重要である。
従来は、例えば経験値から任意に加工条件を選定し、目視により切削加工品の精度や品質を評価していた。しかし、この評価方法では確実に最適な加工条件を選定することは、作業者によって切削加工品の精度や品質に差が出てしまったり、工具の摩耗が早まったりし、最適な条件設定とは言えないのが実状であった。
【０００４】
一方、回転工具の条件設定又は加工状態を定量的に評価する方法として、加工により発生する振動や音響情報に基づいて加工状態を評価する方法がある。例えば特許文献１（特開２００８−８２７０２号公報）には、インゴットをスライスする加工装置において、被加工物の振動を検出するセンサからの信号を解析して、加工部材の状態又は被加工物の加工状態を評価する構成が開示されている。
また、別の方法として、特許文献２（特開２００５−２９７１２７号公報）には、電動ドリルでの穴あけ作業において、電動ドリルの負荷電流の積算値で穴あけ状態を評価する構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−８２７０２号公報
【特許文献２】特開２００５−２９７１２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に開示されるように振動や音響情報から加工条件や加工状態を評価する構成では、回転工具がたとえ適正な加工を行っていても他の機器や主軸の運動等によりセンサが影響を受けてしまう。したがって、このような外的要因による周波数成分と、加工により発生する直接的な周波数成分とを選別することは困難で、精度の高い評価はできなかった。さらに、振動や音響情報からは加工に消費されたエネルギを把握することができず、省エネルギ化を達成する加工条件の選定はできなかった。
【０００７】
一方、特許文献２に開示されるように負荷電流の積算値に基づいて加工状態を評価する構成では、加工に消費されたエネルギを把握することは可能であるが、瞬間的な負荷変動を検出することができないため、負荷電流の積算値が正常の範囲内であっても工具に瞬間的に過大な負荷がかかる状態を見逃すこととなり、工具の寿命を短くしたり、加工品の精度が低下してしまうおそれがある。特に、回転工具により断続切削加工を行う場合、被切削物にブレードが入って抜ける過程を繰り返し行うため、ブレードが被切削物に切り込む際に瞬間的な負荷が発生しやすく、工具の摩耗や加工品の品質低下を招きやすい。
【０００８】
したがって、本発明はかかる従来技術の問題に鑑み、工具の消費電力と工具にかかる瞬間的な負荷の両方を考慮した上で、精度よく工作機械の加工条件の評価を行うことができる工作機械の切削加工評価装置及び方法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】
【０００９】
上記の課題を解決するために、本発明に係る工作機械の切削加工評価装置は、電動回転工具に取り付けられたブレードにより被切削物を断続切削する工作機械の切削加工評価装置において、前記回転工具の主軸モータの消費電力を検出する電力検出手段と、前記電力検出手段で検出された前記消費電力を記憶する記憶手段と、前記記憶手段に記憶された前記消費電力に基づいて前記工作機械の切削条件を評価する演算手段とを備え、前記演算手段は、一の前記ブレードが切削部位に入って抜けるまでの１パスの電力波形を前記消費電力から抽出する電力波形抽出部と、前記電力波形の総面積と、前記電力波形を時系列で分割し、各分割領域ごとに算出された分割面積の分散値とに基づいて前記評価を行う評価演算部とを有することを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、一のブレードが切削部位に入って抜けるまでの１パスの電力波形に基づいて工作機械の切削条件又は切削加工物の加工状態を評価する構成としているため、電動回転工具により断続切削する場合であっても精度よく評価を行うことが可能となる。また、電力波形の総面積と、電力波形を時分割した分割面積の分散値とに２つの指標に基づいて評価を行っているため、工具の消費電力と工具にかかる瞬間的な負荷の両方を考慮した上で、精度よく工作機械の加工条件の評価を行うことができる。
【００１１】
また、前記演算手段は、前記電力波形の総面積が小さく且つ前記分割面積の分散値が小さくなる最適切削条件を演算する最適化条件演算部をさらに有することが好ましい。
これにより、消費電力が小さく且つ瞬間的な衝撃が発生しにくい最適化条件を選定することができ、省エネルギで且つ回転工具の摩耗を抑制して工具寿命を長くすることができる。なお、主軸モータとは、回転工具を回転させる駆動源である。また、一のブレードとは、ブレード内刃とブレード外刃が組となった一対のブレードを含むものである。
【００１２】
さらに、前記切削加工は、前記被切削物の荒加工と仕上げ加工とが連続した加工であり、前記電力波形抽出部では、前記荒加工と前記仕上げ加工とをそれぞれ平均した分散値に基づいて前記評価を行うことが好ましい。
荒加工と仕上げ加工とは分散値が異なるため、それぞれ分けて平均値を算出することによって、より正確な切削加工条件の評価を行うことが可能となる。なお、荒加工及び仕上げ加工は、それぞれ加工開始時点からの経過時間で設定されていることが好ましい。
【００１３】
さらにまた、前記被切削物がかさ歯車のリングギヤ又はピニオンギヤであり、前記リングギヤ又は前記ピニオンギヤの一歯を切削中の前記電力波形に基づいて前記評価を行うことが好ましい。
かさ歯車の加工は複雑であり従来は精度の高い評価を行うことは困難であったが、本発明の装置を適用することにより精度の高い評価が実現可能となる。
【００１４】
また、本発明に係る工作機械の切削加工評価方法は、回転工具に取り付けられたブレードにより被切削物を断続切削する工作機械の切削加工評価方法において、前記回転工具の主軸モータの消費電力を検出するステップと、前記電力検出手段で検出された前記消費電力を記憶するステップと、一の前記ブレードが切削部位に入って抜けるまでの１パスの電力波形を前記記憶手段に記憶された前記消費電力から複数抽出するステップと、前記複数抽出した前記電力波形を平均した平均電力波形を算出するステップと、前記平均電力波形の総消費電力量と、前記平均電力波形の振幅の分散値とに基づいて前記工作機械の切削条件を評価するステップとを備えることを特徴とする。
【００１５】
さらに、前記切削加工を評価するステップでは、前記総消費電力量は前記平均電力波形の面積から算出し、前記平均電力波形の振幅の分散値は前記電力波形を時系列で均等に分割し、各分割領域ごとに算出された分割面積の分散値から求めることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
以上記載のように本発明によれば、一のブレードが切削部位に入って抜けるまでの１パスの電力波形に基づいて工作機械の切削条件を評価する構成としているため、電動回転工具により断続切削する場合であっても精度よく評価を行うことが可能となる。また、電力波形の総面積と、電力波形を時分割した分割面積の分散値とに２つの指標に基づいて評価を行っているため、工具の消費電力と工具にかかる瞬間的な負荷の両方を考慮した上で、精度よく工作機械の加工条件の評価を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態に係る工作機械の切削加工評価装置を示す全体構成図である。
【図２】ハイポイドギヤを示す斜視図である。
【図３】フェイスホブ歯切装置の一例を示す斜視図である。
【図４】ワーク（リングギヤ）と歯切りカッターの動作を説明する図である。
【図５】ギヤ歯に対するブレードの切削方向を説明する図である。
【図６】回転工具の消費電力を示すグラフである。
【図７】図６に示した消費電力のグラフにおける各ブレードの切削ポイントを示すグラフである。
【図８】ブレードの１パスに対応した電力波形を示すグラフであり、（Ａ）は瞬間的衝撃が小さい場合の電力波形で、（Ｂ）は瞬間的衝撃が大きい場合の電力波形である。
【図９】電力波形を時系列で分割した状態を示すグラフである。
【図１０】荒加工と仕上げ加工を説明する図である。
【図１１】ＳＮ比の要因効果図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
まず最初に、図１を参照して、本発明の実施形態に係る工作機械の切削加工評価装置の全体構成を説明する。
【００１９】
ここで、工作機械１は、電動回転工具に取り付けられたブレードにより被切削物を断続切削するものである。
具体的に工作機械１は、複数のブレードが取り付けられた回転工具１１と、回転工具１１の主軸を回転駆動する主軸モータ１２とを有する。さらに工作機械１は、主軸モータ１２に電源を供給する電源装置１３と、電源装置１３からの電源を増幅する主軸モータ増幅器１４と、主軸モータ１２に供給する電圧を制御するモータ制御回路１５と、モータ制御回路１５への指令値を入力する入力部１６とを有する。電源装置１３、主軸モータ増幅器１４、主軸モータ１２、モータ制御回路１５、入力部１６を含んで主軸回転駆動機構１７と称する。なお、主軸モータ１２は回転工具１１に回転駆動力を与える駆動源である。
【００２０】
工作機械の切削加工評価装置２は、工作機械１の切削条件を評価する装置である。ここで、切削条件とは、例えば回転工具１１の主軸モータ１２の回転数、ワーク（被切削物）を回転させるモータの回転数、回転工具１１又はワークの設置角度、回転工具１１又はワークの移動速度、あるいはブレードの切り込み量等、複数存在する。
この切削加工評価装置２は、主に、主軸モータ１２の消費電力を検出する電力計２１と、該電力計２１で検出された消費電力を記憶するメモリ２２と、該メモリ２２に記憶された消費電力に基づいて工作機械１の切削条件を評価する演算手段２３とを備える。
【００２１】
演算手段２３は、電力波形抽出部２４と、評価演算部２５とを有し、さらに好適には、最適化条件演算部２６を有する。
電力波形抽出部２４は、一の前記ブレードが切削部位に入って抜けるまでの１パスの電力波形を消費電力から抽出する。なお、各ブレードにおける１パスの電力波形を複数抽出し、ブレードごとに複数の電力波形を平均してもよく、この場合、評価演算部２５での演算にはこの平均電力波形を用いる。
評価演算部２５は、電力波形の総面積を算出するとともに、電力波形を時系列で分割し、各分割領域ごとに分割面積の分散値を算出し、この総面積と分割面積の分散値とに基づいて、工作機械１の切削条件の評価を行う。
最適化条件演算部２６は、タグチメソッド等の品質工学手法に基づいて、切削条件の最適化を行う。具体的には、電力波形の総面積が小さく且つ分割面積の分散値が小さくなる最適切削条件を演算する。
【００２２】
ここで、本発明の切削加工評価装置２を、一例としてハイポイドギヤの切削加工に用いた場合につき以下に具体的に説明する。
図２はハイポイドギヤを示す斜視図である。同図に示すように、ハイポイドギヤは例えば、最終減速装置に用いられる周知の装置であり、リングギヤ５１とこれに噛合するピニオンギヤ５２とからなり、ピニオンギヤ５２の軸がリングギヤ５１の中心に対してオフセットして位置する。この装置においては、ピニオンギヤ５２が入力軸側となり、噛合中心を中心として正転及び逆転の入力回転をする（図中、矢印Ａ方向）。この回転に連係してピニオンギヤ５２に噛合したリングギヤ５１は回転するようになっており（図中、矢印Ｂ方向）、この装置により直角又は所定の角度に回転力を伝達することができるものである。
【００２３】
上記したハイポイドギヤのリングギヤ５１又はピニオンギヤ５２の歯切りには、例えば図３に示すフェイスホブ歯切装置が用いられる。ここで、図３はフェイスホブ歯切装置の一例を示す斜視図である。同図に示すようにフェイスホブ歯切装置１は、円盤状の歯切りカッター本体１１の一面側に複数のブレード３１が取り付けられている。複数のブレード３１は円周上に配置され、さらに図４に示すようにギヤ歯の前進面と後進面とをそれぞれ形成するブレード外刃３１Ａとブレード内刃３１Ｂとが１対となっている。
図３に戻り、歯切りカッター本体１１は、主軸回転駆動機構１７により所定の回転数で回転駆動される（図中、矢印Ｃ方向）。さらに歯切りカッター本体１１は、サーボ駆動機構１８により、主軸方向の位置（図中、矢印Ｄ方向）やリングギヤ５１に対する角度（図中、矢印Ｅ方向）が制御される。ここでは一例としてリングギヤ５１を被切削物であるワークとしている。
【００２４】
一方、ワーク５１は、ワーク回転駆動機構１９により歯切りカッター本体１１とは反対方向に回転駆動される（図中、矢印Ｆ方向）。ここで、ワーク回転駆動機構１９は、ワーク５１を回転させる主軸（ワークスピンドル）と、主軸を回転させる主軸モータとを含む。さらにワーク５１は、不図示のサーボ駆動機構により、主軸に垂直な面内で位置制御される（図中、矢印Ｇ方向）。
そして、歯切りカッター１１と、ワーク５１とを主軸回転駆動機構１７、ワーク回転駆動機構１９によって、図４に示すように互いに同期制御して回転させ、歯切りカッター１１をワーク５１に切り込ませることによりギヤ歯が形成されるようになっている。
【００２５】
図５はギヤ歯に対するブレードの切削方向を説明する図である。同図に示すように、ワーク５１は、ブレード３１が図中矢印Ａ方向に移動することにより切り込まれてギヤ歯５１ａが形成される。本実施形態では、一つのブレード３１（外刃３１Ａと内刃３１Ｂの一対のブレードを含む）がギヤ歯５１の切削部位に入ってから歯幅方向に送られ歯幅（切削長）Ｌを切り抜けるまでを１パスとする。歯切りカッター１１にはブレード３１が所定間隔を隔てて複数取り付けられているため、ワーク５１はブレード３１により断続切削されることとなる。
【００２６】
ここで、図１を参照しながら本実施形態に係る工作機械の切削加工評価方法を説明する。
最初に、電力計２１により主軸モータ１２の消費電力を時系列的に検出する。図６は電力計２１で計測された歯切りカッター本体１１の消費電力を示すグラフである。電力計２１で検出された消費電力は、メモリ２２に記憶される。
図７は消費電力に対応した各ブレードの切削ポイントを示したグラフである。このように、第１ブレードから第４ブレードのそれぞれにおける切削ポイントが得られる。
【００２７】
そして、演算手段２４の電力波形抽出部２４によりメモリ２２に記憶された消費電力から、一のブレード３１が切削部位に入って抜けるまでの１パスの電力波形を複数抽出する。
図８はブレードの１パスに対応した電力波形を示すグラフであり、（Ａ）は瞬間的衝撃が小さい場合の電力波形で、（Ｂ）は瞬間的衝撃が大きい場合の電力波形である。同図に示すように、１パスの電力波形が得られる。このとき、複数抽出した電力波形を平均した平均電力波形を算出してもよい。
【００２８】
さらに、評価演算部２５により平均電力波形の総消費電力量と、平均電力波形の振幅の分散値とに基づいて前記工作機械の切削条件を評価する。
ここで、総消費電力量は図９に示す電力波形の面積から求められる。一方、電力波形の振幅の分散値は、図９に示すように電力波形を時系列で均等に分割し、各分割領域ごとに算出された分割面積Ａ〜Ｅの分散値から求めることができる。
【００２９】
また本実施形態において、図１０に示すように、切削加工は被切削物の荒加工と仕上げ加工とが連続した加工である場合、電力波形抽出部２４では、荒加工と仕上げ加工とをそれぞれ平均した分散値に基づいて評価を行うようにしてもよい。なお、荒加工及び仕上げ加工は、それぞれ加工開始時点からの経過時間で設定されていることが好ましい。例えば、同一工具で連続的に加工を行い、加工開始時点から予め設定された荒加工設定時間が経過した時点でそれ以降は仕上げ加工とし、加工開始時点若しくは荒加工終了時点から、予め設定された仕上げ加工設定時間が経過したら仕上げ加工終了とする。
【００３０】
また、最適化条件演算部２６では、電力波形の総面積が小さく且つ分割面積の分散値が小さくなる最適切削条件を演算することが好ましい。
これは、以下のＳ／Ｎ比を用いて、タグチメソッドにより演算することができる。
Ｓ／Ｎ比＝β２／σ２＋（σ１−２＋σ２−２）
ここで、σ１は荒加工の分散値で、σ２は仕上げ加工の分散値である。
このＳ／Ｎ比を用いて、図１１に示す要因効果図が作成できる。図１１は要因効果図の一例であり、（Ａ）は比較例として電力波形の積算電力におけるＳＮ比（β２／σ２）に関する要因効果図で、（Ｂ）は本実施形態として電力波形の積算電力と分散値におけるＳＮ比（β２／σ２＋（σ１−２＋σ２−２）に関する要因効果図で、（Ｃ）は感度（感度ｓ＝β２）に関する要因効果図である。このような要因効果図から、ＳＮ比が高く、感度が低く且つ分割面積の分散値が小さくなる最適切削条件を演算することが好ましい。
【００３１】
上記したように本実施形態によれば、一のブレード３１が切削部位に入って抜けるまでの１パスの電力波形に基づいて工作機械１の切削条件を評価する構成としているため、電動回転工具１１により断続切削する場合であっても精度よく評価を行うことが可能となる。また、電力波形の総面積と、電力波形を時分割した分割面積の分散値とに２つの指標に基づいて評価を行っているため、工具の消費電力と工具にかかる瞬間的な負荷の両方を考慮した上で、精度よく工作機械１の加工条件の評価を行うことができる。
【符号の説明】
【００３２】
１    工作機械
２    切削加工評価装置
１１  回転工具
１２  主軸モータ
１７  主軸回転駆動機構
１８  サーボ駆動機構
１９  ワーク回転駆動機構
２１  電力計
２２  メモリ
２３  演算手段
２４  電力波形抽出部
２５  評価演算部
２６  最適化条件演算部
３１  ブレード
５１  リングギヤ（ワーク）
５１ａ  ギヤ歯
５２  ピニオンギヤ
【図１】
2012111009.tif 000003
【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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