(57)【要約】【課題】本発明は、ワークを加工する加工ツールを有する工作機械の動作制御を外部から変更可能な工作機械の外部処理システムを提供することを目的とする。【解決手段】  本外部処理システムは、前記加工ツール、該加工ツールを把持し工作機械の主軸に連結するツールホルダ、又は前記工作機械の物理変化をリアルタイムに検出し、そのデータを外部送信する計測手段と、工作機械に備えられ、該工作機械及び前記加工ツール及びツールホルダの動作を制御する工作機械専用の動作制御手段と、  工作機械の外部に備えられる外部制御手段と、を備えている。前記外部制御手段は、無線双方向通信により前記計測手段からのデータを受信する受信手段と、該受信手段が受信した計測手段からのデータに基づいて前記動作制御手段による前記工作機械及び前記加工ツールの通常の動作制御を変更する外部制御手段と、を有する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワークを加工する加工ツールを有する工作機械の動作制御を外部から変更可能な外部処理システムであって、
前記加工ツール、該加工ツールを把持し工作機械の主軸に連結するツールホルダ、又は前記工作機械の物理変化をリアルタイムに検出し、そのデータを外部送信する計測手段と、
工作機械に備えられ、該工作機械及び前記加工ツール及びツールホルダの動作を制御する工作機械専用の動作制御手段と、
工作機械の外部に備えられる外部制御手段と、を備え、
前記外部制御手段は、無線双方向通信により前記計測手段からのデータを受信する受信手段と、該受信手段が受信した計測手段からのデータに基づいて前記動作制御手段による前記工作機械及び前記加工ツールの通常の動作制御を変更する外部制御手段と、を有する、工作機械の外部処理システム。  
【請求項２】
前記外部制御手段は、前記計測手段からのデータが予め定めた許容範囲か否かを判定し、該許容範囲外である場合には前記動作制御手段による通常の動作制御を変更する割込み信号を動作制御手段に送信する、請求項１に記載の工作機械の外部処理システム。
【請求項３】
前記動作制御手段は、前記動作制御手段による通常の動作制御を変更するときの通常と異なる他の制御態様を登録し、前記外部制御手段から前記動作制御手段による通常の動作制御を変更する割込み信号を受信した場合には、通常の制御態様に替えて登録された他の制御態様を実行する、請求項２に記載の工作機械の外部処理システム。
【請求項４】
前記計測手段は、前記加工ツール又は前記ツールホルダに少なくとも温度及び／又は加速度のデータを検出するセンサを有し、該センサからのデータを外部制御手段に無線送信し、
外部制御手段は、前記センサからのデータが加工ツールの異常として予め設定された閾値以上になったと判定した場合には、前記加工ツール及び前記ツールホルダの動作を停止し、工作機械が有する警告灯を点灯するように動作制御手段による通常の動作制御を変更する、請求項２又は３に記載の工作機械の外部処理システム。
【請求項５】
前記計測手段は、前記加工ツール又は前記ツールホルダに少なくとも温度及び／又は加速度のデータを検出するツール用センサを有し、該ツール用センサからのデータを外部制御手段に無線送信するとともに、前記工作機械に前記工作機械の各部分の物理変化のデータを検出する工作機械用センサを有し、該工作機械用センサからのデータを外部制御手段に送信し、
外部制御手段は、前記ツール用センサ及び前記工作機械用センサからのデータが加工ツールの異常として予め設定された許容範囲外になったと判定した場合には、前記動作制御手段による前記工作機械及び前記加工ツールの通常の動作制御を変更する、請求項１に記載の工作機械の外部処理システム。
【請求項６】
前記計測手段は、前記加工ツール又は前記ツールホルダに少なくとも該加工ツールの温度データを検出するセンサを有し、該センサからの温度データを外部制御手段に無線送信し、
外部制御手段は、前記センサからの温度データが加工ツールの異常として予め設定された閾値以上になったと判定した場合には、前記工作機械及び／又は加工ツール及び前記ツールホルダの動作を停止し、その動作の停止後、前記センサからの温度データが該閾値又は動作再開の温度として予め設定された温度値以下又未満になったと判定した場合には、前記工作機械及び加工ツール及び前記ツールホルダを動作が停止した時点の加工から再び開始するように動作制御手段による通常の動作制御を変更する、請求項２又は３に記載の工作機械の外部処理システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ドリル、エンドミル等の回転加工工具や摩擦攪拌接合における回転ツール等の加工ツールによってワークを加工する工作機械の動作制御プログラムを外部のパソコン等により割込み処理等して変更する外部処理システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
マシンニング切削加工装置等の工作機械において、加工精度の向上、工具破損防止等を考慮するには実際の加工時の工具の摩耗や疲労、破損、びびり等を評価することが要求される。しかしながら、従来、工具の評価は、装置メーカや工具メーカがその装置や工具ごとに行っており、一般的な評価基準、学術的に標準化された評価基準に基づいて行っており、加工時における実際の工具についてのリアルタイム検証はできていなかった。【０００３】
これに対して出願人は回転工具の加工中の温度や加速度を計測し得る工作機械のツールホルダユニットを開発・提供し、この計測結果に基づく工具破損等の異常予知技術についても開発・提供してきた（特許文献１〜特許文献３）。この技術では加工中の工具の物理変化をリアルタイムに検出でき、工具や工作機械と無線通信可能な外部装置（パソコン等）で異常検出を行う点できる点で有利である。【０００４】
しかしながら、従来の技術では工具の異常や異常予兆等を検出することができるに留まっており、検出後に工作機械の動作を制御する具体的構成を提供するには至っていなかった。また、工作機械は、工具やこれを把持するツールホルダ以外の位置、例えば工作機械の主軸等に配設される加速度ピックアップや変位計、スピンドルモータの電流やトルク、被加工物を載置するｘｙｚステージ近傍の動力計やサーボモータの電流やトルクなど種々の物理変化を計測する場合、これらの計測データを工具の計測データと組み合わせて工具の異常等の検出、外部装置で工作機械の動作を制御する構成が提供されることも望まれるであろう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開公報ＷＯ２０１５−０２２９６７
【特許文献２】国際公開公報ＷＯ２０１６−１３６９１９
【特許文献３】特開２０１８−５４６１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は上記実情に鑑みて創作されたものであり、ワークを加工する工作機械の工具等の加工ツールの物理変化を計測し、この計測データを受信し、異常等判定をする外部装置が工作機械の動作制御を変更する外部処理システム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】
【０００７】
上記目的を達成するため具体的に本発明の外部処理システムは
ワークを加工する加工ツールを有する工作機械の動作制御を外部から変更可能な外部処理システムであって、
前記加工ツール、該加工ツールを把持し工作機械の主軸に連結するツールホルダ、又は前記工作機械の物理変化をリアルタイムに検出し、そのデータを外部送信する計測手段と、
工作機械に備えられ、該工作機械及び前記加工ツール及びツールホルダの動作を制御する工作機械専用の動作制御手段と、
工作機械の外部に備えられる外部制御手段と、を備え、
前記外部制御手段は、無線双方向通信により前記計測手段からのデータを受信する受信手段と、該受信手段が受信した計測手段からのデータに基づいて前記動作制御手段による前記工作機械、前記加工ツール及び／又は前記加工ツールの通常の動作制御を変更する外部制御手段と、を有する。【０００８】
本発明では、加工中の加工ツールからの計測データを外部装置で受信・分析し、その結果に基づいて工作機械の動作をリアルタイムで変更することができる。具体的には、ノートパソコン等の外部装置で温度や加速度の計測データから加工ツールの異常を検知した場合に工作機械の動作を通常の動作と異なる動作を指令するサブプログラムに移行するように、工作機械自体が元々内蔵するコンピュータ数値制御（ＣＮＣ（Computer Numerical Control）のプログラム（ＮＣプログラム）に、外部装置から割込み信号を与える。本外部処理システムによれば、これまでは加工ツールの異常検知に留まっていたのに対して、加工ツールの異常を検知しても外部のパソコンから工作機械の動作の変更を指令することができ、リアルタイムに生じた異常をその場で回避しながら工作機械の運転することができる。その結果、工作機械や加工ツール、被加工物、加工条件を問わず安全で高精度な加工を達成することができる。また、加工中に動作修正が可能となるため加工条件の設定も容易であり、ギリギリまで条件を高くすることも可能となる。【０００９】
また一例として、前記外部制御手段は、前記計測手段からのデータが予め定めた許容範囲か否かを判定し、該許容範囲外である場合には前記動作制御手段による通常の動作制御を変更する割込み信号を動作制御手段に送信する。【００１０】
具体的に前記動作制御手段は、前記動作制御手段による通常の動作制御を変更するときの通常と異なる他の制御態様を登録し、前記外部制御手段から前記動作制御手段による通常の動作制御を変更する割込み信号を受信した場合には、通常の制御態様に替えて登録された他の制御態様を実行することが好ましい。【００１１】
具体的にこの本外部処理システムの例によれば、予め加工ツール等の計測値の許容範囲（閾値等）を定めておき、計測データを受信・分析するパソコン等の外部制御手段で加工ツールの計測値が許容範囲外になった場合には、工作機械を通常の動作から変更するために工作機械の動作プログラムに割込み信号を送信してサブプログラムを実行する。【００１２】
また他の例として、前記計測手段は、前記加工ツール又は前記ツールホルダに少なくとも温度及び／又は加速度のデータを検出するセンサを有し、該センサからのデータを外部制御手段に無線送信し、
外部制御手段は、前記センサからのデータが加工ツールの異常として予め設定された閾値以上になったと判定した場合には、前記加工ツール及び前記ツールホルダの動作を停止し、工作機械が有する警告灯を点灯するように動作制御手段による通常の動作制御を変更する。なお、予め設定された閾値以上になったと判定した場合、工作機械が有する警告灯を点灯するように動作制御手段による通常の動作制御を変更しても良く、外部制御手段（外部パソコン等）で警告表示を行っても良い。【００１３】
本外部処理システム例は、予め加工ツール又はこれを把持するツールホルダに熱電対等の温度センサや加速度センサを配置し、計測データをノートパソコン等の外部制御手段に無線送信する例の場合であり、外部制御手段で計測データが所定の閾値を超えると異常と判定し、直ちに加工を停止し、工作機械の警告灯を点灯して現場オペレータに異常を通知するサブプログラムを割込み処理する。【００１４】
また、前記計測手段は、前記加工ツール又は前記ツールホルダに少なくとも該加工ツールの温度データを検出するセンサを有し、該センサからの温度データを外部制御手段に無線送信し、外部制御手段は、前記センサからの温度データが加工ツールの異常として予め設定された閾値以上になったと判定した場合には、前記工作機械及び／又は加工ツール及び前記ツールホルダの動作を停止し、その動作の停止後、前記センサからの温度データが該閾値又は動作再開の温度として予め設定された温度値以下又未満になったと判定した場合には、前記工作機械及び加工ツール及び前記ツールホルダを動作が停止した時点の加工から再び開始するように動作制御手段による通常の動作制御を変更しても良い。【００１５】
加工ツールの刃先近傍の温度が上昇し、被加工物の加工精度が低下することに対して、この割込み制御を行うと刃先近傍の熱のこもり方や刃先の切れ味を正確かつ直接的に検知し、加工不良を回避することができるためより精度の高い加工を担保することができる。とりわけ工作機械に通常備えている回転主軸モータ負荷の値（ロードメータ値）は、過熱によって被加工物が軟化すると、モータ負荷の値が低下する可能性があり、この回転主軸モータ負荷の値だけでは刃先近傍の過熱による加工不良を十分に回避できないため有益である。【００１６】
さらに他の例として前記計測手段は、前記加工ツール又は前記ツールホルダに少なくとも温度及び／又は加速度のデータを検出するツール用センサを有し、該ツール用センサからのデータを外部制御手段に無線送信するとともに、前記工作機械に前記工作機械の各部分の物理変化のデータを検出する工作機械用センサを有し、該工作機械用センサからのデータを外部制御手段に送信し、
外部制御手段は、前記ツール用センサ及び前記工作機械用センサからのデータが加工ツールの異常として予め設定された許容範囲外になったと判定した場合には、前記動作制御手段による前記工作機械及び前記加工ツールの通常の動作制御を予め定めた他の動作制御に変更する、ことも好ましい。【００１７】
本外部処理システムでは、加工ツールやツールホルダの温度・加速度の計測のみならず、工作機械の他の部分の物理量変化の計測データを外部制御手段で組み合わせて加工ツールの異常等を検知し、工作機械の動作を変更する。例えば、主軸回転用のスピンドルモータの電力やトルク、主軸に配設された加速度センサや変位計からの計測データなどを組み合わせて異常検知し、より詳細な異常判定、工作機械の外部動作制御が可能となる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の外部処理システムによれば、工作機械の工具等の加工ツールの加工中の物理変化の計測結果をリアルタイムに外部装置で無線等受信し、外部装置で異常等判定がなされた場合には、異常等を排除すべく工作機械の動作プログラム（ＮＣプログラム）に割込み信号を送信して通常と異なる動作制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の工作機械の外部処理システムの概要を示した模式図である。
【図２】本発明の工作機械の外部処理システムにおける処理フロー例であり、（ａ）に外部パソコンにおける処理フロー例、（ｂ）に工作機械の動作制御を行うＮＣプログラムの処理フロー例を示している。
【図３】本発明の工作機械の外部処理システムにおける他の処理フロー例であり、（ａ）に外部パソコンにおける処理フロー例、（ｂ）に工作機械の動作制御を行うＮＣプログラムの処理フロー例を示している。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、上述する本発明の工作機械の外部処理システムの概要及び具体的な処理フロー例について説明する。
【００２１】
図１には、本外部処理システムにおいて工作機械の動作制御手段による動作変更制御を外部部制御手段で行う例の概要を示している。工作機械１０は、その主軸４で加工ツール１を把持するツールホルダ３を装着し、主軸４を回転駆動させることで加工ツール１を回転させ、XYZ方向に移動するステージ５に載置された被加工物２の切削加工等を行う。主軸４はスピンドルモータで回転作動し、スピンドルモータはCNCプログラムに基づいて制御され、ステージ５はサーボモータで駆動し、同様にCNCプログラムに基づいて制御される。
【００２２】
工作機械１０のCNCは、工作機械１０の操作パネル７で設定・確認することができる。これに加え、CNCプログラムはEthernet等の有線LANで外部パソコン８に送信することができる。CNCプログラムは、工作機械１０の制御数値情報の変数（CNC）に基づいて工作機械１０の動作制御を行うプログラムであり、CNCは、座標（例えばXYS座標）、加工ツール１の番号（例えば工具番号）、加工中か否か（例えば切削送り中か否か）、加工実行中のプログラム番号、加工実行中の行番号などを有している。
【００２３】
また、ツールホルダ３には特許文献１に示すように加工ツール１内の熱電対６からの温度情報や加工ツール１（又はツールホルダ３）内の加速度センサ（図示せず）からの加速度情報等を外部に無線送信する送信ユニットが配設され、加工中の温度情報・加速度情報等がリアルタイムにWi-Fi、Blue-tooth、無線LAN等で外部パソコン８に無線送信される。
【００２４】
外部パソコン８に有線送信されたＣＮＣプログラムと無線送信された加工ツール１の温度・加速度等情報とは、外部パソコン８で同一の時間軸のタイムチャートとして処理され、加工ツール１の破損等の異常を検知した場合には例えば警告灯９を点灯させて注意喚起する。このとき同時に外部パソコン８のディスプレイにも警告表示を行うことができる。
【００２５】
さらに、本外部処理システムによれば異常検知のみならず実際の加工の制御処理も外部パソコン８で行うことができる。異常が検知がされた場合、外部パソコン８からＣＮＣグログラムに割込み信号が有線送信され、工作機械１０やその主軸１、ステージ５の動作を変更制御するようにＣＮＣの変数を書き込む。以下、具体例を示す。
【００２６】
まず、加工ツール１の温度やツールホルダ３が受ける加速度（・力）によって干渉・衝突を検知した瞬間に加工ツール１の加工動作を急停止・加工ツール１を被加工物２から退避させる制御例を例示する。その処理フロー例が図２に示され、（ａ）に外部パソコン８における処理フロー例、（ｂ）に工作機械１０の動作制御を行うＮＣプログラムの処理フロー例を示している。外部パソコン側では（ａ）に示すように、処理（ＳＴ１）が開始されると、外部パソコン８が熱電対６からの温度情報やツールホルダ３内の加速度センサからの加速度情報や応力情報を読み取る（ＳＴ２）。
【００２７】
次には外部パソコン８内で読取った温度・加速度・力が閾値に到達するか否かを判定する（ＳＴ３）。閾値は、加工条件に応じて加工ツール１の破損等する予兆としての温度・加速度・力を予め設定しておく。
【００２８】
温度・加速度・力が閾値以上の場合には、干渉や衝突を検知したとして工作機械１の急停止や加工ツール１の被加工物２からの退避動作を行うべくＮＣプログラムを変更する割込み信号を送信する（ＳＴ４）。そして、加工が終了等し測定継続が不要となると（ＳＴ５）、処理が終了する（ＳＴ６）。
【００２９】
また、（ｂ）に示すように工作機械１０のＮＣプログラム側の処理フローとしては、処理（ＳＴ１０＝ＳＴ１）が開始され、割込み制御機能がＯＮにされると（ＳＴ１１）、割込み発生時に呼び出すサブプログラムを登録する（ＳＴ１２）。サブプログラムとしては、工作機械１０の急停止や加工ツール加工１の被加工物２からの退避動作（後述で例示する  IF[#103 GE 123.4] GOTO 100）などである。そして、割込み信号を外部パソコン８から受信するとＳＴ１２で登録したサブプログラムが実行され急停止や退避動作を行うよう制御される（ＳＴ１４）。加工が終了すると割込み昨日がＯＦＦとなり（ＳＴ１５）、処理が終了する（ＳＴ１６）。
【００３０】
具体的に上述する加工ツール１の被加工物２からの退避動作として温度が１２３．４℃になると工具を退避させ、工具交換する割込み制御でＣＮＣ変数の変化及び割込み信号を例示する。ＣＮＣ変数が時刻tにおいて加速度[m/s2]を#101,力（トルク：回転加速度）[rad/s2]を#102、温度[℃]を#103と割り当てている場合、閾値を120.4℃（#103＝123.4）となる。また、ＮＣプログラムのサブプログラムとして加工ツールの退避動作(IF[#103 GE 123.4] GOTO 100)として、100行目を加工ツール１の退避動作に規定しておく。そして、加工が進行し、例えば外部パソコン８に受信されたリアルタイム計測値が、時刻t1時点での#101＝1.2、#102＝234.5、#103＝23.4、時刻t2時点での#101＝23.4、#102＝4567.8、#103＝56.7、時刻t3時点での#101＝67.8、#102＝12345.6、#103＝234.5と変化した場合、時刻t3時点では#103＝234.5＞123.4、すなわち閾値を超える（詳細には時刻t2からt3の間の時刻に閾値に到達）。このとき閾値を超えた時点でサブプログラムIF[#103 GE 123.4] GOTO 100を実行すると加工ツール１の退避動作及び交換動作が行われる。
【００３１】
次に、加工ツール１の所謂「びびり」や被加工物２のバリが発生したと判断した瞬間に被加工物２に発生したツールマーク（加工痕）やバリ取りなどのサブプログラムを実行する制御例を例示する。その処理フロー例が図３に示され、（ａ）に外部パソコン８における処理フロー例、（ｂ）に工作機械１０の動作制御を行うＮＣプログラムの処理フロー例を示している。外部パソコン側では（ａ）に示すように、処理（ＳＴ２０）が開始されると、外部パソコン８が図２同様に熱電対６からの温度情報やツールホルダ３内の加速度センサからの加速度情報や応力情報を読み取る（ＳＴ２１）。次には外部パソコン８内で読取った温度・加速度・力が閾値に到達するか否かを判定する（ＳＴ２２）。この閾値は、加工条件に応じて加工精度や加工ツール１の破損に影響する加工ツール１の「びびり」や看過できないバリの発生の条件を満たしたと考えられる温度・加速度・力を予め設定しておく。
【００３２】
温度・加速度・力が閾値以上の場合には、「びびり」やバリの発生を検知したとして被加工物２のツールマークの除去動作やバリ取り動作を行うべくＮＣプログラムを変更する割込み信号を送信する（ＳＴ２３）。そして、加工が終了等し測定継続が不要となると（ＳＴ２４）、処理が終了する（ＳＴ２５）。
【００３３】
また、（ｂ）に示すように工作機械１０のＮＣプログラム側の処理フローとしては、処理（ＳＴ３０＝ＳＴ２０）が開始され、図２と同様に割込み制御機能がＯＮにされると（ＳＴ３１）、割込み発生時に呼び出すサブプログラムを登録する（ＳＴ３２）。ここでのサブプログラムとしては、上記ツールマークの除去動作やバリ取り動作などである。例えば、加速度が50.0[m/s2]以上で「びびり」が発生したと判断し、バリ取りのサブプログラムをＮＣプログラムの101行目とする場合、上述の例で示すならば  IF[#101 GE 50.0] GOTO 101 となる。そして、割込み信号を外部パソコン８から受信するとＳＴ３２で登録したサブプログラムが実行され「びびり」の除去動作やバリ取り動作を行うよう制御される（ＳＴ３４）。加工が終了すると割込み昨日がＯＦＦとなり（ＳＴ３５）、処理が終了する（ＳＴ３６）。
【符号の説明】
【００３４】
１…加工ツール
２…被加工物
３…ツールホルダ
４…主軸
５…ステージ
６…熱電対
７…操作パネル
８…外部パソコン（外部制御手段）
９…警告灯
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
2020149316.tif 000006
2020149316.tif 000007
2020149316.tif 000008
2020149316.tif 000009
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