切削抵抗を自動制御できる工作機械の試作開発
一磨きレス加工が可能な金型用CCM加工システムの開発研究（第2報）一
大塚裕俊＊・壇野義昭＝・人坪二：寿＝ト 叶川l心音：いい1こ＊
羊部・再㍉封1Jr二業（株）・いこ

ニLこ生産技術部・＊：京都大学亡′（株）ト1「高製作所DevelopmemtoflntegratedCCMSystemby菖nte里IigentMachiningCenter
rorManufacturingDiesandMoldsⅥ′itbFineSurぎaces（2mdReport）
HirotoshiOHTSUKA＊・YoshiakiKAKINOjてjて。HisashiO‖TSUBO衷＝匡斗・MotohikoNAKAGAWA＊＊production仁nglneerin已Division・ニLミニくK、OtO＝nivcrsit〉′・三斗こ＊YasdaPrecisionl、（）（）1sK・K・ニ＝り＝ト ［1odこIka（1orporation
要旨
切削抵抗の予牒い詩l」御技術と，ノニこ：答什が高く高速ご外乱に敏感′′己リニアモ…タの特性を軋用した切削抵抗ゾ）モ

ニタリング技術∴および⊥作機械Ⅵ高精度制御投術とを組み合わせろ二′l∴ニ上り，11むハ送斗速度など加「条件び〕フィードバック制御を行い，切削抵抗を［動的に一定化できる新LいT二作機械（マシニングセンタ）を試作開発した．また高機能CAMに上って作成された加⊥ニデータ（フィーート、フ1ワード制御）と（ノブ相乗効果により，金型加1二にお（ナる切F■jり抵抗を適切に制御することが可能となり，安正しノた岳精度加L二が叶能とな／〕仁リニアモーー

タ駆動に上る試作機を用いた′実験結果によれば，金ノーH十上げ血L√）品質し㌧巾け，工具損傷の裾卜，工具寿命刷哲人が確認された．

高徳ヰ・高信頼性て長いⅠ二甘寿命が確保でき，高精度加1，はじめに金型製造など≠）げ）／うくり〃）現場においrご「L 中庄l等へ1二が実現する．木研究開発のト一標でぁる（て≠富 加＝．ンス〃）抜術移転に上り産業の空洞化が生∴こいろ．二れに対ナム∴上り′長堀されノニべき土要万機能㍑以†∵山王おり ご応十るた♂）に我が国では金型製作における高精度化，低ある．

コスト化に上る製作時［冒短縮が求められてい（1）フィードフォワード制御／高機能化

る．

高機能化廿毎塵化∴とろ木二 しCM 加1ニシステムに上／つ二れまで欄け圧印ハ金彗用＝二技術に関する技術開発訂L薙削性材料を高能率・高晶佑二切削加L二すろため（／）技術て，（1A〜1側カババナ加王二形状l「二異形状に応し∴とり川り抵

を「トL、に〔1AM（〔、），〔二Nし二 制御装置（C） ユニ作磯城抗を制御Hる最適l▲共ハスを≠J／〕Nし、データが汗り」され（ル1）をさ主じめ，1二具，ツーリン穴＋被削材料′′亡ピソ）分指合されろ

野で個別に研究開発が進んごきイ∴ Lかし，ニれらの隈（2）フィード′ミック「‡ir」御／知能化

連技術が個々にLかそ）急速に進化する′−二めに，ニれらを′実際ノ）切削て十L Tデータ腫さ〔川f′こ）ノ〕きゃ1二持穫麿ト1二具摩耗山伏況など肌変動懐宜′ろミぁるたれ 従来ゾ）だ進んでいないそこで本研究閉路で㍑，切削加⊥照雄

ん通行型一 ンステム！二さ土興／■〔り〕リニアサーボモータ．

組み合わせて用いろ酷け）総合的／∴り＝11支術レ判碇キ〔土い三ヒ川▲眉則正に基づ十こ†以上〃りこうな合理「杓な加l二条件び）

電流値な主ご、ろ∴け】いて青桐てコなL川州別1〔や加「二状態をモニタ適正化凍行えるシステム開発を行おうと十ろもゾ）であリングL、美加1「巨に切削抵抗∴止こじて送り速度など加ろ。

r二条什を最適∴制御すろ適応別個雄射た与イ十加斗る 木苺一

二れ主で爪既存爪金華加Ⅰニシスナム圧，精通tノ熟練しノ究でごlそし7）乱抑機能出安定性肌確≠∵∴車て製「】言一化のたた作業者㌧Jイ‡｛幼に活用ごきノ7こい由rが多く，そ〔′り合理化

納確実力斗〃りノナろ上う研究を行う 開発さ′れた加［ニシさ吏，′実験デー一夕ゾ）体系化（データベース構築）ユニい／J

スナムミニおいて∵L し浴M，じM■ 制御装置、1＿作機械圧

定型的アブカーサに眼レ■〕〜！ていたこれ∴対し木研′兜閉

卜位ンストムに十位システム「ノり旨脊を扶況．ニ応じて変虻できろ機能を百′iろ塞ゾ）＝賃㍉土 それに上ら左㍉、訂機能化d 如拙化に上る

本システムの概念を従寂び）ンステムと比較しノこ訂壷g。漫（二（1㌔′！烏口1ニンステムを闘う巨寸ろ≠）ノ）ごゝ旨〕る．ニれに上れば，太軋暇なデ山夕べース／さ二・必要とせザ∵，勲瞞Lてい∴ホす

ない作業者によって行針軋加⊥が仁分可優になり，か十仙27（ハ1re離ui◆ヂa−−d血涙血相河i壬sゝt‡eS壬・Needst享1eeXPelて呈seoi ar簑eXl）ertOPer3fO王1・Nee（iま011gertぅー1−eね貰Y圭1andnnishまng・・＼付しト＼1lと・，し、≡しトーレ「．l、し・》hliluence（〉rtOOi構〉earanも用1eゝ′itriatio】1t Se‡1S蔓ngOrCも離日碩わilCeSbタンuSinビ雨量†1日−1jto‡、i！1g
sc享1elⅥeS．

《S、′Stemうー璃eg−・a由一1based（−t−iと・，Siビn摘canもimpro＼er11ei！tまnpi OdLICtiヽ√ilyとl王1しiCnlじ主c王1C〉〉Of執′0王一kpieceiⅥaieriこも1properlies．
もNi川eedlもrl乙Irgビdaねbase（d摘1ct直そOCnnStrliCt）

ト11glOvcrviewoftheCCMtechnoIogyandconventionaltechnoIogy

2．フィードフォワ皿ド制御による高機能化
要素技術のうちフイ・・→ドフォワード制御（以卜F F制御）に／）いては，ら肝Ij抵抗げ）予測式より切削頂抗が 一定値となる上うな指令送り速度と⊥具パスを与えうる高機
能〔1へMの開発が，粗加仁パスを対象としてほぼ終7Lたげ）で，本隼度は仕i二げ力I「「について検討Lノこ，ボー／レエンドミルによる金型の什」二げ加⊥は通常一定の取代（約0．王mm）を 一定の送り速度で等高線加L二を用いて行われる事が多い．二の場合には，ボールエンドミ
四郎4ケ所でげフ急峻な切削抵抗増大が低減されている

ルに発生する切削抵抗は全体として20N以卜ごあるが，その人きさは加＝二形状に上／つて大きく変動し，ニれが工−う「′ 7具の倒れの変動を竜、たらしノ，結果的に金型の加r二精度を低卜させている．

そこで中仕上において，加＝秒伏に応じて仕上用の取代を変化させて加工し，什i二切掛」において切削抵抗が定になるように上夫し，加手指度の向上を牒ほこととした．本手法をテーハ付花弁金管り）仕上げ卯■川に適用した結果をFig．2とF毒g。5にホす．ニ（ハ結果に上り，切削関㌧
ぎ T】し角を一定にした仕卜げ代を創生する加l二法に／ついての検証′実験によりその有効性が確認できた．ニれらに上り切Flg，3 MeaゝuredcuttlngわrceslnendmllIlng

削抵抗という観点からのF F制御手法の研究開発はほぼ

thctapercdpetal−Shapcdmold達成された【28〟

が低下tノ∴［ノ） ‥∴川〜j題．1てふノ〇．Lノノ ∴庖汀ソが誓匪

3．ブイ山ドバック制御による知能化要素技術ノ〕うニノブイードバック制御（以十F＝静雄町煩慮行㍑許容さ主㌧ ∴ふ？Lミニ1二いソノ、1ノ川＝甘辛÷碇照l／〕いて∴、切削加「巾丹抑裾捌ル叫射出ニノ〕いて、リ㌧畑∴∴＼モニタリング㌔し′イl■㌧畑jJ鵬抗偵Lり「測さオニアモ〉夕 電流†【ぎ1j二∴よろ切削抵抗（ハモ∴タリンシ＼技術し二十」一理整粍量∴応じて＝㌍出削祇杭キ ′定化′豆いし／増ノ（戸、鉦制御技灘＼劫＝丁−（ハエントミノン恥▲ト祇抗成分出棺吊

さLトごゆく ±1いうん▲1上が巧 ′さ．レ」′ぞし／ゝノ． ＝∴ニノ1し、∵￣／H亘法J）開発を行／〕たうえご，切削頂詔L（ノ）制綻帰∴二／〕いて＝標切削板前言パイ 定植ご ＝り糊f【恒ノ）：う（）し）r）増1ヒし（a）オーバライド制御法（L））反比例制御法（し、）2、，と、、しノ）拙空≠≠rて符′．て廷J差′1−リ」削扶抗山裾湖号守わ／÷：1、次多J甘ぺモデル制御はソ）ニ与手法を比較傾討しノ，椴記∵夫験J凱′トトノ）比較′鼻験ノト行っ上．F料6 ∴′」∵− Lう∴被削〃げ）うえ2次多」甘ぺモデル制御法び）優位性を確ぶ汗て二′ナしを∴！ニンドミ′レご、Jl触り写せて1二！い右綜試験互」／〕ノニ，′長駆を採用しノた

l詰果∴ンJいご…L Fig。7∴ニノ」H∴i剖削頼諦LLノ）制抑川日東さ∴山手法ご…土，切削抵抗の2次多碩式F′測モデルをfjjれた〔11来町＝私∴上ろ＝動制御∴‡二るいりご〔を〕ノ〇．リ」

いて，モニタリングされた切削振抗備に対にすろ指雷鳥

削距細い∴！）2盲一11′い工∴三∬⊥＝て1∴：うりり速度fを刻々㌧え，標準（ハ切削祇抗偵トなろ上う「巨呵昔㌣土：う〔）りr）増加L∴ ／〕ご（、しゝ川＝▲機ーハ機龍∴Lり≡≡「二制御を行う．具体的には，モニタリングされた切削抵抗

り，ノリロト劫ネし′）低†、が許容できろ範仰で1J＝か鉦ハ伸長

値から，ヒ耶棋温何条什を利雄し∴設定されブニ切削航抗のが可経とメ ごろことがわ′小／〕た

目標値（XY平面内び）合ノバ となる上う，適止ミなり日1二条件（送り速度）を探索Lてリアルタイムご与える制御法

5．試作機の設計と製作

であろ．制御紆安定性，収束性ヒ手）他の手法∴二比べて優前節去で〃）成果を取り込み，リニアモーータ矧媚圧〉し、㌦モれていることがわカレ）た，（Fig，4と打隠5に検証′実験結加」エンスナムの基本仕様を決定したうえで加1二機（ハ．‡迂果〃）い伊jを示す．）

計■製作を行／）た，とりわけ切削抵抗〔ノ梢」御機能にノJい

4．エ具寿命に対する効果
用＝二条件）

正常な力［上において≠）「具磨耗は常に進展する〝）で，直線間回皿丁二（切込鼓 し）1f11nり
エンドミル＝＼（㍉∃D事ほ（」）Hnlm〔6枚刃）ロ］転散＝リ（iり01・Pm，軸方向切込遠＝lmm
紆阻送畑旨令慣一 こ11うhmnl′m川 り」「jりフナ匝1．ダウンカ ソト
クー ラント＝ドライエアー、被削材：SKL）ぐil川r〔15ニi）

切削抵抗を初期値（新品時）のま圭 一定に保／）て加tを行うと，適正値よりも送り速ノ度が小さくなり，加Ⅰ二龍平（こ1）切削抵抗 ｛定化制御ON（t〕）制御なし

川口L条件）

直線テーハ加工（切込量0 →0．Hmm 圭で漸増）
エンドミル：l■（「人ll）RB￠Rrnm（わ枚刃1回転数＝：う000T・r）m，軸方向切込量＝1nl【11初期送り指令値．1260rn‖1m川 切削方向：ダウンカノク」ラントドライコニアー 彼削材：SKi）61川「しt5：う）

0、8mm「ig．6Ⅰ 00＝1董℃c叩Crimcntuslngl七cdbackcontr（）1Fig．ヰ CしIttlnglCSl拉）rthei、uncti（川Of、たedbackcontroi
4口0〔）35CO・U
C20〔〕0﹁︺00︵U96‡44192240

切削距凛rl宣二ig・5 Ⅸイcasurcdcutti11gi、orcじandf壱cdI−atCinトig，4Fig▲7 Mcas＝〜Cdcuttln2ft）rCeand丘edratcin「ig・6り

29

∩しハU

∠柑︵＝∩︶︵U00nU nリ

こJ n＝

O l︺

O nU

＼時管璽倒︑﹂塑

︼U∴∵ r

2500

200′り

Z さ﹂ 増量≡岩nリ3「）CO5

ては，前章で説明t∴たエアフリケーションソフト開発を行フト（いⅧ1に上る）とLて，通常の送り速度晶定雄⊥／〕rN（∴軌御装置にインストーールtノ、二れを利川しノた．

具パスと〜 高機能（1AM のF F制悌机こ上りハス毎に送りそLて完成した加1二機をiI本庄！際丁＿作機械軋本市

速度を変えた」二見ハスキ用いた，

6．1高機能CAMによる効果

りIMlて）F2004：平成16年11月1‡1（月）へ−8F

高機能CAM に上り，り用り抵抗が一定になろよう送りけ＝ ノ誉東点1ツケサイト）に出［払展示した．展示風月

速度を各丁具パス毎に変化させたN（ニデータを与えてや出品された試作機についてFig．8とFig．9にホす

金型租加1二に／）いて高機能CAM に上ろF F制御機能の6．金型加エによる評価

有効性を確認する実験を実施Lたところ，急激な軋削抵開発されたシステムの機能評価のたれ 機能評価用け）

抗の変化をなくすことでL勘ル折損を防1ヒし，去た」二其金型モデルを決定し，従来型と開発型び）新旧（ハハ←卜の寿命を延ばす効果があることを確認できた（L作機械（l二作機械）とソフト（C∧M）の組合せを変えた機能評は従来型機）．

価プランを作成L，既設システムと新システムに上る鉦

6．2 金型の表面粗さ・表面品位丁評価実験を実施した．

開発されたCCM試作機によ畑 花弁型金型の租加工から仕上二げ加工去でを子J二／つて従来機と比較したところ，機能評価用の金型モデルとしてモデルA，B，Cその他を決定したうえご，ハード（⊥二作機械）とLて従来型（二（∴Ⅵ試作機の方が金型里」二げ而の面粗さがかなり良くのボールねじ駆動のテーブルをも）／〕マンニングセンタなる結果とな／った．二れは静庄案内によるテーブル構造（YBM850VYBM950V）と今回開発されたCCM試作機をもち内部の機械的な摩擦が小さく，比較的大きな加減を利用して加二t二実験を行った．〔二〔二M試作機ほ開発され速にもなめらかに追従できるリニアモー一夕駆動のC（∵u

たアプリケーション（カスタマーズボー¶ドに搭載）により，実切削中の送り速度を自動的に変更して切削抵抗を試作機のテーブル運動特惟と関係しごいると考えられる（カスタマーズボw・−ド未使用） すなわちCCM試作機

コント【プ←−ルする機能を選択することが出来る．またソび〕ハード的な特什（運動性能）に基／うく仕Lげ加⊥二での表面粗さ㌧表面晶位等の金型品質向上が検言正できた、以上について花外型金型の什上げ加⊥を行／）て，表面粗さを比較測定Lた結果をFig。柑とTablelに示す

互Tig．8、盲IMTOF12く1n4（tradei、airi盲1T（うk〉rO）（仕上げ伽1二条件）

ユンドミル：tく2ボールエントミル（2枚刃1
回転数二 ㍍刷柑叩Il，如け汗車刀一し三＼亘二0．inlnl

初期送り指令伸二IROOmnl′nl川 切削方向：ダウンカット
ソー∴7ント：ドライエアーー 被削柑．sKl）（う1川〔（：、5こう）ト1盲g・苫0 臣1主n主shビdsしげまもccむ汗mく一首dとさPC〔11、ah書cl毎icasurcdsurねceroughilCSS

Fig．り ロ倒流堅か扶湖m混痛か加直10de呈m30，

63 エ具寿命に対する効果
誕悪日去S︺由疲 −F f、制御∴′りFIえて1γB高州鄭を行／汗雄澗㍉ 通常切▲川抵
抗（ノ〕小さくなる箇所での送り速J炉ノ）上針おょび適宮守槽
抵抗が大きくなる筒巾（コーナーー．；二「i）ごノ）送り速ノせL′り珪
下についこ，IT H制御〃〕み／ごと、他ケーースに比較しノごj、日毎性・J芯筈性し7）面ごか／ごり改善しノごおり，それに伴い切≠

1000
800
60〔〉

4〔）02000

抵抗も上限卜眼の幅が狭くな／つごおり†i二具寿鉦ノ）延長

161や工具折損の「彷止にと／つこノ）在動作が期待できる宕㌣某±3！

ヰ6

加工層 No．

／亡／つにrノーi巳．！5 〜盲eと1ゝut勺Cしicしitてiiほtii目し主たF F制御に加えこrご壬〕制御を千丁／〕こ1二具寿命試験
4

霊悪意軍つ⊥︹J3ハ∠−−〜の効果が検証できた．

ゝX﹂

上る魁力旧二における工具折損叫拓1Jニフ r二具寿命〃）増大等▲‖q

制御が最ヰ有効ごあると判断できる．十なわち高機能〔 八M によるF「制御とハードm「B制御の相乗効果にZ

状況から検討して，J二見去≠命に閲しノこど、土F B制御7Ⅰ＝、FO n︶ √U ︵U nU n︶ 0 nU O n︶
㌫J O r〇 ハリ 5 ヘリ 5 ハU ︻LJを行／）た結果，加L二時間や切削抵抗ゾ）変化，「具刃先ソ）仙や仙十∵∴▲
1503045

加工層 No．
h厄」6・MkむurCdcしitti†1巳ft）rCCゝ

以iニソ）√実験結果±考察∴ノ〕いごJ）閑適十ろ蛋f料ft以トリ）とおレjこ毒）ろ。Fig。温習 ±訂岳g。雇2∴二Ⅰ二具メ芦J沌七験こ用
いた金型モデ′ンヒそ汎用U旧⊥用r∵い、スキ′ト十．美た絢が3 と 臣「毒g。摘∴」1㍍抑制ト「「制瀾巨雄用押 し〃）場
「ig．‖＋Moldt〉′Pe八合い∴／〕いてゾ）丁二具ハス川L・州］削特ゾ）測定されたり川。抵Flg12 王 （〕01pati11t〕r

抗、t二送り速ノ「空をホー仁 王′キニFig．且5 三二軒屋g。且6にドB制御＝∵＝裾抑と制御たしノ「ノ）場合に／〕いこソ〕ハス ー軋を）たりむOLO﹂ぎコ一コ0 ＼∵﹂ ∵丁こ∵∴．・﹁J000︵U n︶︵UOOOO︹ ︶08︵h︶42Nゝ×﹂

rou已hcuttlngしr）力＝1二持間と切削損叔ノ）Tl具寿命まごハ変化をホす2000 4000 6000 800010000120001400016000柑000time msec

7，おわりに（a）「F十Fほし里nけ0

本研究開発に⊥り仁て1′拍＝ニシステムむ構成する各0 ︵U OO n︶0 0︹UOnD642

要素技彿に∵〕いて∋ 必要最′＝跡ル機能開発がほぷ完Fしノ︵U O ︵U圭一 とりわけドl川棚jt 巨じわちリニアサーポモー夕ソJ
2000 4000 6000 80〔〉010000†200014000160001gOOO tim8†nSeC

電流植二／を糾いて静的な軌▲服揖有㌣加「状虻宣1ニタリン
ブL ′嵐加L申∴以削抵抗∴応じこ送り速度な‥ヒ、恥L条（b）nし）Cし）盲1汀Oi

件を最適に制御十ろ適応制御機能を＝漑しノ，そ直効果を貫‥】g・1う 軋盲cともSしiredcしjtii†1grOrじeSO O O O︵U O ︵＝U O Onソ ︵U O ︵U2 1−

u﹁こ＼﹁﹁ ﹂﹂AY．つJ心︸空でむ￠叫P聖コS叩心≡

検証十るという、1初し川部究巨汗黙二／）いて， 応直トl途は達成てきた
今後＝膏射−．⊇りと／与′［∃標ヒt∴制御牒摘類）安定守トノ）縫
0 2000 4000 6000 8000100001200014000760∝）柑000モ1me SeC

保プノ÷ニヒ（ニノ〕いて肝ラヒ宣・継続十る▲ 主たマンはマンンマイ

ンターフLイス′ムご−二、机L】】化′L：し∴丁上土不足十ろ部分を整備（；j）「富二、け言号cし）盲11roi

こ ↑∵二ヒ⊂⊂完﹂P①遭PどnS巾ひ芝ナろ必要が肯）ろ

追記
本実験に使用しト√ンニングセン

0 2000 4000 60∝）808010000】2000140〔和16〔DO†8（X氾 ヒ1汀1tう SeC

タYF箋㌔′粧狛Vは，競輪＝十本自転申Ⅷか輿芸汀／）絹助命をノ乏けて設置Lたそ）（b）noco11trOl．・二n厄．モヰ ㌦4eaさミurC〔＝、ecd r乙iteS【−31−ので