JP6611319B2 - 切削負荷予測方法、切削負荷予測システム、及び切削負荷予測プログラム及び記憶媒体 - Google Patents

Description

本発明は、切削負荷予測方法、切削負荷予測システム、切削負荷予測プログラム及び記憶媒体に関する。

近年の切削加工技術においては、高効率な工作機械の開発が進んでいる（例えば特許文献１）。一方で、安全性に関しても、切削負荷急増による工具折損を回避できるような工作機械の開発が進んでいる。工具折損を回避するための手法としては、その一つに、工具の切削負荷をＮＣデータに基づくシミュレーションによって事前予測する技術がある。こうしたシミュレーションでは、工作機械がＮＣデータの指令通りに動くことが前提となっている。

特開２００９−１２０９２号公報

しかしながら、近年の工作機械は、高効率加工のために高速な送り速度条件が適用され、ＮＣデータの指令値通りの運動をしていない。実際の工作機械は、ＮＣデータをＣＮＣが補間して微小ブロック毎に送り速度及び通過位置を設定し、それらに基づいて運動しているため、実際のＮＣデータとは異なる送り速度及び経路で運動しているシーンが多くある。このため、実際のＮＣデータに基づいたシミュレーションによって行われる切削負荷予測は、実際の切削工具の送り速度及び経路が反映されていないため、切削負荷を高精度に予測できていない現状にある。

本発明の課題は、工作機械における工具の切削負荷をより高精度に予測できる切削負荷予測方法、切削負荷予測システム、切削負荷予測プログラム及び切削負荷予測プログラムを記憶した記憶媒体を提供することにある。

課題を解決するための手段および発明の効果

上記課題を解決するために本発明の切削負荷予測方法は、
切削工具が通過する複数の工具位置を工具通過時の送り速度と共に設定するＮＣデータに基づいて前記切削工具を移動させてワークを切削する切削処理を実行する工作機械において、前記切削工具に加わる切削負荷を予測する切削負荷予測方法であって、
切削負荷の予測対象となる前記ＮＣデータを決定する予測対象データ決定ステップと、
前記工作機械に対し、決定された前記ＮＣデータに基づく前記切削処理を、切削が生じない空運転の形で実行させる空運転実行ステップと、
その切削処理時に、前記切削工具が通過する各工具位置を含む該切削工具に関する予め定められた運動データを取得する運動データ取得ステップと、
前記運動データ取得ステップで取得された前記運動データに含まれる各前記工具位置において、前記切削工具の送り速度を算出する送り速度算出ステップと、
前記運動データ取得ステップで取得された運動データと、前記送り速度算出ステップで算出された送り速度と、に基づいて、前記工作機械がワークに対し前記ＮＣデータに基づいて前記切削処理を実行した際に前記切削工具に加わる切削負荷を算出する切削負荷予測ステップと、
を有するとともに、
前記運動データ取得ステップは、前記工作機械側で所定の検出周期で検出され、所定記憶部に記憶された前記運動データを、前記検出周期とは異なる所定の取得周期で通信取得するステップであり、
前記送り速度算出ステップは、各工具位置の送り速度を、その工具位置の前後で、その工具位置を含む所定数の工具位置を間に挟む２つの工具位置間の距離と、それら２つの工具位置間における前記切削工具の移動時間と、に基づいて算出することを特徴とする。

上記課題を解決するために本発明の切削負荷予測プログラムは、
切削工具が通過する複数の工具位置を工具通過時の送り速度と共に設定するＮＣデータに基づいて前記切削工具を移動させてワークを切削する切削処理を実行する工作機械において、前記切削工具に加わる切削負荷を予測する切削負荷予測プログラムであって、
コンピュータに、
切削負荷の予測対象となる前記ＮＣデータを決定する予測対象データ決定ステップと、
前記工作機械に対し、決定された前記ＮＣデータに基づく前記切削処理を、切削が生じない空運転の形で実行させる空運転実行ステップと、
その切削処理時に、前記切削工具が通過する各工具位置を含む該切削工具に関する予め定められた運動データを取得する運動データ取得ステップと、
前記運動データ取得ステップで取得された運動データに含まれる各前記工具位置において、前記切削工具の送り速度を算出する送り速度算出ステップと、
前記運動データ取得ステップで取得された運動データと、前記送り速度算出ステップで算出された送り速度と、に基づいて、前記工作機械がワークに対し前記ＮＣデータに基づいて前記切削処理を実行した際に前記切削工具に加わる切削負荷を算出する切削負荷予測ステップと、
を実行させるとともに、
前記運動データ取得ステップは、前記工作機械側で所定の検出周期で検出され、所定記憶部に記憶された前記運動データを、前記検出周期とは異なる所定の取得周期で通信取得するステップであり、
前記送り速度算出ステップは、各工具位置の送り速度を、その工具位置の前後で、その工具位置を含む所定数の工具位置を間に挟む２つの工具位置間の距離と、それら２つの工具位置間における前記切削工具の移動時間と、に基づいて算出することを特徴とする。

上記課題を解決するために本発明の切削負荷予測システムは、
切削工具が通過する複数の工具位置を工具通過時の送り速度と共に設定するＮＣデータに基づいて前記切削工具を移動させてワークを切削する切削処理を実行する工作機械において、前記切削工具に加わる切削負荷を予測する切削負荷予測システムであって、
切削負荷の予測対象となる前記ＮＣデータを決定する予測対象データ決定手段と、
前記工作機械に対し、決定された前記ＮＣデータに基づく前記切削処理を、切削が生じない空運転の形で実行させる空運転実行手段と、
その切削処理時に、前記切削工具が通過する各工具位置を含む該切削工具に関する予め定められた運動データを取得する運動データ取得手段と、
前記運動データ取得手段により取得された運動データに含まれる各前記工具位置において、前記切削工具の送り速度を算出する送り速度算出手段と、
前記運動データ取得手段により取得された前記運動データと、前記送り速度算出手段により算出された送り速度と、に基づいて、前記工作機械がワークに対し前記ＮＣデータに基づいて前記切削処理を実行した際に前記切削工具に加わる切削負荷を算出する切削負荷予測手段と、
を有するとともに、
前記運動データ取得手段は、前記工作機械側で所定の検出周期で検出され、所定記憶部に記憶された前記運動データを、前記検出周期とは異なる所定の取得周期で通信取得する手段であり、
前記送り速度算出手段は、各工具位置の送り速度を、その工具位置の前後で、その工具位置を含む所定数の工具位置を間に挟む２つの工具位置間の距離と、それら２つの工具位置間における前記切削工具の移動時間と、に基づいて算出することを特徴とする。

上記本発明の構成によれば、工作機械に対し、ＮＣデータに基づいて切削工具を移動させる空運転を行わせて切削工具の実際の運動データ（移動軌跡や送り速度）を取得し、その実際に得た正確な運動データに基づいて切削工具の切削負荷の予測を行う。従来のＮＣデータに基づくシミュレーションにおいては、ＮＣデータの指令通りに運動しない切削装置の移動軌跡（工具軌跡）が何も考慮されないで切削負荷を予測していたが、本発明では、これを考慮した形で切削負荷を予測するため、予測精度を従来よりも大幅に増す。

なお、「ＮＣデータに基づく切削処理を、切削が生じない空運転の形で実行させる」とは、ＮＣデータに基づいて切削工具を通常通りに動作させるが、その動作を、切削工具にワークが接触しない形で進行させることである。切削動作中に切削工具がワークに接触しない状態とは、例えば、ワークが配置されてない状態や、切削工具の移動経路が空間化されているワークが配置された状態等である。

本発明の切削負荷予測システムの概要を簡易に示した図。 工作機械の切削処理の流れを示すフローチャート。 ＮＣデータが設定しているＸ軸方向における切削工具の移動軌跡と、そのＮＣデータに基づく切削処理を工作機械にさせた時のＸ軸方向における切削工具の移動軌跡と、が異なることを説明するグラフ。 ＮＣデータが設定しているＹ軸方向における切削工具の移動軌跡と、そのＮＣデータに基づく切削処理を工作機械にさせた時のＹ軸方向における切削工具の移動軌跡と、が異なることを説明するグラフ。 ＮＣデータが設定しているＸ軸方向における切削工具の送り速度変化と、そのＮＣデータに基づく切削処理を工作機械にさせた時のＸ軸方向における切削工具の送り速度変化と、を示したグラフ。 ＮＣデータが設定しているＹ軸方向における切削工具の送り速度変化と、そのＮＣデータに基づく切削処理を工作機械にさせた時のＹ軸方向における切削工具の送り速度変化と、を示したグラフ。 切削負荷予測処理の流れを示すフローチャート。 切削負荷予測システム上での切削負荷予測処理の進行手順を示した図。 工作機械側の運動データの検出周期と、切削負荷予測装置側の運動データ取得周期と、を示した図。 切削負荷予測装置側で、図７のような運動データの取得漏れが起きている場合に算出される、各工具位置での切削工具の送り速度（矢印）を示したグラフ。 切削負荷の計測を説明する図。 切削負荷の計測に用いるワークを示した図。 従来のようにＮＣデータに基づいて切削工具のＸ軸方向の移動軌跡を算出した結果と、図９のようにして実際に計測された切削工具のＸ軸方向の移動軌跡と、を示した図。 従来のようにＮＣデータに基づいて切削工具のＹ軸方向の移動軌跡を算出した結果と、図９のようにして実際に計測された切削工具のＹ軸方向の移動軌跡と、を示した図。 実際に計測されたＸ軸方向の切削負荷の結果と、従来のようにＮＣデータを用いて周知の比切削抵抗法によってＸ軸方向の切削負荷を算出した結果と、本実施例のように工作機械の空運転により得られた実際の運動データに基づいてＸ軸方向の切削負荷を算出した結果と、を示した図。 実際に計測されたＹ軸方向の切削負荷の結果と、従来のようにＮＣデータを用いて周知の比切削抵抗法によってＹ軸方向の切削負荷を算出した結果と、本実施例のように工作機械の空運転により得られた実際の運動データに基づいてＹ軸方向の切削負荷を算出した結果と、を示した図。

本発明の切削負荷予測システム及び切削負荷予測方法の一例を説明する。

本実施例の切削負荷予測システム１は、図１に示すように、ＮＣデータ１０Ｎに基づいてワーク（被加工物）１００Ｗを切削工具１０３により切削加工する工作機械１００と、切削工具１０３に関する予め定められた運動データを取得する運動データ検出部２０１，２０２と、当該ＮＣデータ１０Ｎに基づいて切削工具１０３が当該ワーク１００Ｗを切削する際の切削負荷を算出する切削負荷予測装置３００と、を通信可能に接続した形で有する。

ＮＣデータ１０Ｎは、ワーク１００Ｗが設置される予め定められた工作機械１００の座標系（機械座標系ともいう）上において切削工具１０３が通過する複数の工具位置を、工具通過時の送り速度と共に設定するデータである。具体的にいえば、ＮＣデータ１０Ｎは、加工開始から所定時間間隔おきの経過時間と、各経過時間における切削工具１０３の工具位置と、各経過時間における切削工具１０３の送り速度と、各経過時間における切削工具（主軸）１０３の回転速度と、を有する。なお、各経過時間における送り速度は、各経過時間における進行方向（ベクトル量）と速さ（スカラ量）とを含むパラメータである。

本実施例の工作機械１００は、図１に示すように、ワーク（被切削材料）１００Ｗが載置されるテーブル（基台）１０１と、テーブル１０１をＸ軸方向に移動させる送り軸モータ（送り駆動部）１０２Ｘと、テーブル１０１をＸ軸方向に直交するＹ軸方向に移動させる送り軸モータ（送り駆動部）１０２Ｙと、Ｘ軸方向とＹ軸方向とに直交するＺ軸方向に移動させる送り軸モータ（送り駆動部）１０２Ｚと、テーブル１０１上のワーク１００Ｗを切削加工する切削工具１０３と、切削工具１０３を切削駆動させる主軸モータ（切削駆動部）１０４と、各モータ１０２Ｘ，１０２Ｙ，１０２Ｚ，１０４を駆動制御する制御部１０５と、記憶部１０６と、を有する。

本実施例の切削工具１０３は回転工具であり、例えば、ボールエンドミル、スクエアエンドミル、フライス等を含むことができる。本実施例の工作機械１００は、主軸モータ１０４によって回転工具１０３を上記Ｚ軸周りに回転させながら、送り軸モータ１０２Ｘ，１０２Ｙ，１０２Ｚによってワーク１００Ｗが載置されるテーブル１０１と切削工具１０３とを相対移動させることにより、ワーク１００Ｗに対し断続的な切削加工を行う。

本実施例の制御部１０５は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等で構成される周知のコンピュータであり、ＲＯＭや他の記憶部１０６等に記憶されたプログラムをＣＰＵが実行することにより各種処理を実行する。主には、ＮＣデータ１０Ｎを受け付け、そのＮＣデータ１０Ｎに基づいて、送り軸モータ１０２Ｘ，１０２Ｙ，１０２Ｚを駆動してその座標系上で切削工具１０３を移動させるとともに主軸モータ１０４を駆動してテーブル１０１上のワーク１００Ｗを切削する切削処理を実行する。

ところで、工作機械１００が実行する切削処理は、ＮＣデータ１０Ｎに基づいて実行されるが、切削工具１０３はＮＣデータ１０Ｎの指令通りに運動しない場合がある。ここで工作機械１００の制御部１０５が実行する切削制御プログラム１０Ａついて簡単に説明する。

工作機械１００の制御部１０５は、記憶部１０６に記憶されている切削制御プログラム（アプリケーション）１０Ａの実行により、図２に示す切削処理を開始する。まず、制御部１０５は、ネットワーク等の通信手段や所定の記憶媒体３１０を介してＮＣデータ１０Ｎの入力を受け付けて読み込み（Ｓ１：ＮＣデータ受付ステップ）、そのＮＣデータ１０Ｎに基づいて、ワーク１００Ｗが設置される座標系上に、当該ＮＣデータ１０Ｎの各工具位置よりも微小間隔となる実工具位置を、工具通過時における切削工具１０３の実送り速度と実回転速度と共に設定する実動作データ１０Ｌを生成し、記憶部１０６に記憶する（Ｓ２：実動作データ生成ステップ）。これらの処理において、制御部１０５はＮＣデータ受付手段（Ｓ１）と実動作データ生成手段（Ｓ２）として機能する。

そして、制御部１０５は、生成された実動作データ１０Ｌに従い切削工具１０３を上記座標系上で移動させて切削を実行する（Ｓ３：切削制御実行ステップ）。この処理において、制御部１０５は切削制御実行手段として機能する。

つまり、ＮＣデータ１０Ｎが、切削処理開始後の所定時間間隔おきの切削工具１０３の位置情報（位置座標）と送り速度と回転速度とを定めたデータであるのに対し、本実施例の工作機械１００において算出される実動作データ１０Ｌは、ＮＣデータ１０Ｎよりも短い所定時間間隔おきの切削工具１０３の位置情報（位置座標）と送り速度と回転速度とを定めたデータである。この実動作データ１０Ｌにより、切削工具１０３の運動は、ＮＣデータ１０Ｎの設定値に従って運動する場合よりも滑らかかつ高速化される。

なお、本発明における実動作データ１０Ｌは、本実施例のような形態のものに限られず、工作機械１００側が実行する切削制御において、ＮＣデータに基づいて生成され、切削工具１０３の運動をそのＮＣデータ１０Ｎの設定値とは異なる運動に変更する可能性を有したデータやプログラムであればよい。また、上述した微小間隔とは、時間と空間とそれら両方とのいずれの意味であってもよい。即ち、上述されているＮＣデータ１０Ｎの各工具位置よりも微小間隔となる実工具位置とは、ＮＣデータ１０Ｎの各工具位置よりも短い時間間隔で定められた実工具位置という意味でもよいし、ＮＣデータ１０Ｎの各工具位置よりも短い距離間隔で定められた実工具位置という意味でもよいし、それら双方の意味を有してもよい。

図３Ａは、あるＮＣデータ１０Ｎによってワーク１００Ｗに対し切削処理を実行した時の切削工具１０３のＸ軸方向位置の経時変化を示すグラフ、図３Ｂは、その時の切削工具１０３のＹ軸方向位置の経時変化を示すグラフである。また、図４Ａは、その時の切削工具１０３のＸ軸方向の送り速度の経時変化を示すグラフ、図４Ｂは、その時の切削工具１０３のＹ軸方向の送り速度の経時変化を示すグラフである。そして、実線がＮＣデータから推定された切削工具１０３の移動軌跡（Conventional参照）であるのに対し、破線が実際に検出された切削工具１０３の移動軌跡（Experimental参照）である。実際に検出された切削工具１０３の移動軌跡は、後述する工作機械１００の運動データ検出部２０１，２０２の検出結果から得た軌跡である。図３Ａ及び図３Ｂから明らかなように、切削工具１０３の実際の移動軌跡と、ＮＣデータ１０Ｎから推定される移動軌跡とでは、前者の方が滑らかな経路をとっており、後者のような角を通過する経路とは明らかに異なっている。また、図４Ａ及び図４Ｂから明らかなように、切削工具１０３の実際の送り速度変化と、ＮＣデータ１０Ｎから推定される送り速度変化とでも、前者の方が滑らかな経路をとっており、後者とは明らかに異なっている。

また、切削処理（Ｓ３）中の制御部１０５は、上記座標系上で移動する切削工具１０３に関する予め定められた運動データ１０ｍ（図１参照）を取得し、記憶部１０６に記憶していく（Ｓ４：運動データ取得ステップ）。この処理において、制御部１０５は運動データ取得手段として機能する。

本実施例の工作機械１００には、上記切削処理の実行中において、上記座標系上で移動する切削工具１０３に関する予め定められた運動データ１０ｍを取得する運動データ検出部２０１，２０２が設けられている。本実施例では、運動データ検出部２０１，２０２として、切削工具１０３の位置（以下、工具位置という）を示す座標を検出する位置検出部２０１と、それら各工具位置での切削工具（主軸）１０３の回転速度を検出する回転速度検出部２０２と、を少なくとも有する。本実施例の制御部１０５は、上記切削処理中、それら運動データ検出部２０１，２０２から工具位置と回転速度とを運動データ１０ｍとして所定周期で取得（サンプリング）し、計時機能部（タイマー機能部）１０７が計時している切削処理開始後の経過時間（加工時間ともいう）と共に、記憶部１０６に順次記憶していく。そして切削が終了することで（Ｓ５：Ｙｅｓ）、図２の処理も終了となる。

なお、位置検出部２０１，回転速度検出部２０２は、周知のものを利用すればよい。本実施例の位置検出部２０１，回転速度検出部２０２は、各モータ１０２Ｘ，１０２Ｙ，１０２Ｚ，１０４に付属するエンコーダ２０１，２０２であり、各出力信号は制御部１０５へと入力され、それら出力信号に基づいて制御部１０５は切削工具１０３の位置座標及び切削工具（主軸）１０３の回転速度を取得する。なお、位置検出部２０１，回転速度検出部２０２による上記運動データ１０ｍを検出は、上述のようなモータに付随するエンコーダによる手法に限られず、例えば各モータ１０２Ｘ，１０２Ｙ，１０２Ｚによるテーブル１０１や切削工具１０３の各軸方向の直線変位を検出するリニアエンコーダを用いる手法でもよいし、他の手法を用いてもよい。

切削負荷予測装置３００は、上記のように切削処理を実行する工作機械１００の切削工具１０３に加わる切削負荷を算出する。本実施例の切削負荷予測装置３００は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等で構成される制御部３０５と、ＨＤＤ等の記憶部３０６と、画面表示部３０７と、マウスやキーボードなどの操作入力部３０８と、所定の記憶媒体３１０と接続してその記憶媒体３１０からデータの入出力を行うデータ入出力部３０９等を有した周知のパソコンであり、ＲＯＭや外部記憶部３０６等に記憶されたプログラムを制御部３０５が実行することにより各種処理を実行する。本実施例においては、記憶部３０６に記憶されている切削負荷予測プログラム３０Ｐを制御部３０５が実行することにより、図５及び図６示す切削負荷予測処理が開始される。この切削負荷予測処理により、制御部３０５は、工作機械１００の切削工具１０３に加わる切削負荷を算出し、その算出結果を画面表示部３０７に表示する。

ここで、図５及び図６に示す切削負荷予測処理を説明する。

Ｓ１１にて、制御部３０５は、切削負荷の予測対象となるＮＣデータ１０Ｎを決定する（予測対象データ決定ステップ）。この処理において、制御部１０５は予測対象データ決定手段として機能する。具体的にいえば、制御部３０５は、操作入力部３０８への所定のユーザー操作（ＮＣデータ決定操作）に基づいてＮＣデータ１０Ｎの指定を受けた場合に、指定されたＮＣデータ１０Ｎを切削負荷の予測対象に決定する。このとき指定されるＮＣデータ１０Ｎは、記憶部３０６や、データ入出力部３０９を介して接続する記憶媒体３１０、あるいは通信を介して接続する外部の記憶部（図示なし）等に予め記憶されたデータである。ここでは、画面表示部３０７に表示されるＮＣデータファイルがユーザー操作により指定される形で、ＮＣデータ１０Ｎが決定される。

Ｓ１２にて、制御部３０５は、工作機械に対し、Ｓ１１で決定されたＮＣデータ１０Ｎに基づく切削処理を、実際には切削が生じない空運転の形で実行させる（空運転実行ステップ）。この処理において、制御部１０５は空運転実行手段として機能する。

具体的にいえば、制御部３０５は、切削処理を実行させる制御指令を工作機械１００に対し出力し、工作機械１００の制御部１０５は、上記制御指令の入力を受けると、その制御指令に従い上述した図２の切削処理を実行する。この制御指令の出力は、例えば、Ｓ１１でＮＣデータ１０Ｎが指定されるに伴い実行する、あるいはＳ１１でＮＣデータ１０Ｎが指定された後の操作入力部３０８への所定のユーザー操作（空運転開始操作）がなされたタイミングで実行することができる。

なお、ここで実行される図２の切削処理は、上記実動作データ１０Ｌに基づいて実行される処理であり、なおかつその処理をテーブル１０１上で、ワーク１００Ｗを設置しない等、ワーク１００Ｗを切削しない形で行う空運転処理である。

Ｓ１３にて、制御部３０５は、上記切削処理（空運転処理）を実行中において、ワーク１００Ｗが切削されない形で上記座標系上を移動する切削工具１０３に関する予め定められた運動データ（図６の運動情報）１０Ｍを取得する（運動データ取得ステップ）。この処理において、制御部１０５は運動データ取得手段として機能する。なお、ここで制御部３０５が取得する運動データ１０Ｍとは、工作機械１００の記憶部１０６に記憶されている運動データ１０ｍから所定周期（例えば６ｍｓｅｃ）で取得（ここではコピー）したデータのことであり、記憶部３０６に記憶される（図１参照）。

本実施例の工作機械１００では、図２の切削処理中、各運動データ検出部２０１，２０２から、切削工具１０３の工具位置（位置座標）及び回転速度と、各工具位置に切削工具１０３が到達した時の経過時間とを、運動データ１０ｍとして所定周期（例えば４ｍｓｅｃ）で取得（サンプリング）し、記憶部１０６に記憶している。これに対し切削負荷予測装置３００の制御部３０５は、その記憶部１０６に記憶されている上記運動データ１０ｍを、工作機械１００の制御部１０５を介して通信取得する。具体的にいえば、制御部３０５は、記憶部１０６に記憶されている上記運動データ１０ｍのうち最新の運動データ１０ｍを、工作機械１００の制御部１０５を介して所定周期（例えば６ｍｓｅｃ）で通信取得（サンプリング）する。そして、取得した最新の運動データ１０ｍとその時の計時機能部（タイマー機能部）３０２の計時時間とを、運動データ１０Ｍとして記憶部３０６に記憶し蓄積していく。なお、計時機能部３０２による計時は、工作機械１００による切削処理の開始に伴い実行される。

Ｓ１４にて、制御部３０５は、工作機械１００から取得（サンプリング）した運動データ１０Ｍに基づいて、切削負荷予測に用いる予測用運動データ（図６の評価用運動情報）１０Ｋを生成する（予測用運動データ生成ステップ）。この処理において、制御部１０５は予測用運動データ生成手段として機能する。

本実施例の予測用運動データ１０Ｋには、上記運動データ１０Ｍの切削工具１０３の工具位置と、各工具位置における回転速度と、各工具位置における処理開始後の経過時間とに加えて、各工具位置における切削工具１０３の送り速度が含まれており、この送り速度の算出を行う。したがって、この処理（予測用運動データ生成ステップ）は、送り速度算出ステップを含んでおり、この処理において、制御部１０５は送り速度算出手段としても機能している。

ただし、本実施例では、Ｓ１４での予測用運動データの生成時において、制御部３０５は、取得した運動データ１０Ｍに対して平滑化処理を行い、平滑化された運動データ１０Ｍ’（図示なし）に基づいて、切削負荷予測に用いる予測用運動データ１０Ｋを算出する。

本実施例の場合、予測用運動データ１０Ｋには、各工具位置における切削工具１０３の送り速度が含まれているが、切削負荷予測装置３００側で記憶されている運動データ１０Ｍに基づいて算出される送り速度と、工作機械１００側に記憶されている運動データ１０ｍに基づいて算出される送り速度と、が一致しない可能性がある。本実施例では、工作機械１００が運動データ１０ｍを検出して記憶部１０６に記憶される検出周期と、その記憶部１０６に記憶された最新の運動データ１０ｍを制御部３０５が通信取得する取得周期とが異なる場合があり、検出周期の方が取得周期よりも長ければ、工作機械１００が検出した運動データ１０ｍの取得漏れ（図７参照）が生じる可能性があるし、取得周期の方が検出周期よりも長ければ、工作機械１００が検出した同じ運動データ１０ｍを重複取得（図示なし）する可能性もある。このような運動データ１０ｍの取得漏れや重複取得が発生することにより、送り速度の算出精度が落ちてしまう。

図７は、工作機械１００による運動データ１０ｍの検出周期（４ｍｓｅｃ）と、切削負荷予測装置３００による最新の運動データ１０ｍの取得周期（６ｍｓｅｃ）と、を示している。図７によれば、切削負荷予測装置３００は、加工時間ｔの経過を示す左から右に向かうライン上において、工作機械１００側では丸（黒丸及び白丸）の時点で運動データを検出して記憶するが、切削負荷予測装置３００側では、黒丸の時点の運動データしか取得できず、白丸の時点で検出された運動データについては取得できていない。その結果、図８のように、実際の送り速度が一定であっても、算出される送り速度が一定にならない可能性がある。

そこで、本実施例においては、切削負荷予測装置３００側に記憶されている運動データ１０Ｍが示す各工具位置での送り速度を次のように算出する。即ち、送り速度算出対象となる工具位置Ｐ（ｎ）の前後で、当該工具位置Ｐ（ｎ）を含む１以上の所定数の工具位置を挟んだ２つの工具位置Ｐ（ｎ−ａ），Ｐ（ｎ＋ｂ）の間の距離と、それら２つの工具位置Ｐ（ｎ−ａ），Ｐ（ｎ＋ｂ）の間での切削工具１０３の移動時間ｔ（ｎ＋ｂ）−ｔ（ｎ−ａ）で除する（割る）ことにより算出する。本実施例においては、送り速度算出対象となる工具位置の前後で、当該工具位置を挟んで隣接する２つの工具位置間の距離に基づいて算出する。具体的にいえば、下記式に示すように、各軸方向（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向）における上記送り速度Ｖ（ｎ）を、各工具位置の直前と直後となる２つの工具位置Ｐ（ｎ−１），Ｐ（ｎ＋１）の間の距離を、それら２つの工具位置Ｐ（ｎ−１），Ｐ（ｎ＋１）の間での切削工具１０３の移動時間ｔ（ｎ＋１）−ｔ（ｎ−１）で割ることにより算出する。
Ｖ(ｎ)＝｜Ｐ(ｎ＋１)−Ｐ(ｎ−１)｜／｛ｔ(ｎ＋１)−ｔ(ｎ−１) ｝

このようにして、Ｓ１４では、制御部３０５が、工作機械１００の切削負荷予測用運動データ１０Ｋとして、各工具位置（位置座標）と、それら各工具位置における切削工具１０３の送り速度及び切削工具（主軸）１０３の回転速度と、それら各工具位置に切削工具１０３が到達した時の経過時間（上記の移動時間）と、を得る。

Ｓ１５にて、制御部３０５は、得られた切削負荷予測用運動データ１０Ｋに基づいて、ワーク１００Ｗの設置された上記座標系上で切削工具１０３が当該ワーク１００Ｗを切削する際の切削負荷（Ｎ）を算出（予測演算）する（切削負荷予測ステップ）。この処理において、制御部１０５は切削負荷予測手段として機能する。これらの切削負荷予測用運動データ１０Ｋに基づいた切削負荷（Ｎ）の算出は、周知の比切削抵抗法に基づいて行われる。比切削抵抗法によれば、各軸方向（Ｘ軸方向，Ｙ軸方向，Ｚ軸方向）の分力、即ち切削三分力を、切削工具（主軸）１０３の各回転角度位置において算出することができ、さらに算出された切削三分力から、それら各回転角度位置において切削工具１０３に作用するトルク、即ち切削負荷（Ｎ）を推定することができる。

比切削抵抗法については、論文「Altintas, Y.,Spence, A., 1991, End Milling Force Algorithms for CAD Systems, Annals of the CIRP,Vol.40/1/1991, pp31-34」に記載される等、周知の手法であるため、詳細な説明は略する。比切削抵抗法に用いるパラメータは、上述の切削負荷予測用運動データ１０Ｋである。具体的にいえば、比切削抵抗法に用いるパラメータは、切削負荷予測装置３００が所定の取得周期で工作機械１００から取得した各軸方向における各工具位置と、それら工具位置毎に算出された各軸方向における送り速度と、それら工具位置毎における切削工具１０３の回転速度と、それら工具位置毎における切削工具１０３のワーク１００Ｗに対する切込み深さと、それら工具位置毎において切削工具１０３がそれまでの切削によってワーク１００Ｗから既に除去された除去領域と、である。なお、各工具位置における切込み深さは、各工具位置における上記送り速度と回転速度から算出することができ、各工具位置において既に除去された除去領域は、各工具位置（例えばそれ以前の工具位置）から算出できるから、上記切込み深さと上記除去領域については、それらの算出結果を用いることとする。その結果、比切削抵抗法に用いるパラメータは、上記工具位置と上記送り速度と上記回転速度となる。なお、上記除去領域については、各工具位置において切削工具１０３の中心位置にずれが生じるから、そのずれを考慮して算出するものとする。本実施例では、それら工具位置と送り速度と回転速度とを入力パラメータとして比切削抵抗法を用いることで、それら各工具位置での各軸方向における分力（切削三分力）、即ち切削抵抗値（Ｎ／ｍｍ²)が算出され、その算出結果に基づいて各軸方向の切削負荷（Ｎ）が算出される。

Ｓ１６にて、制御部３０５は、Ｓ１５で演算された各工具位置での切削負荷（Ｎ）の予測結果を外部に出力する（出力ステップ）。本実施例の制御部３０５は、その予測結果を画面表示部３０７に表示出力する。例えば、画面表示部３０７には、図１２Ａ及び図１２ＢにおけるＡ５のように、各工具位置での各軸方向における切削負荷（Ｎ）が表示される。この処理において、制御部１０５及び画面表示部３０７は出力手段として機能する。なお、予測結果の外部出力は、予測結果を示すデータに基づいて、上記のような画面出力や、印刷出力、さらにはデータそのものを外部にコピー又はムーブさせる出力等であってもよい。

このように本実施例によれば、Ｓ１２，Ｓ１３のように工作機械１００でワーク無しの空運転を実行し、その空運転によってサンプリングされる実際の工具位置（実工具位置）に基づいて、切削負荷の予測演算（Ｓ１５）が実行される。切削負荷の高精度の予測には、切削工具１０３の実際の移動軌跡が必要となるが、ＮＣデータに基づいて切削工具１０３の実際の移動軌跡を正確に予測することは、その工作機械１００の内部プログラムを知る者以外は困難である。したがって、事実上、工作機械１００を使用する一般ユーザーが、ＮＣデータから切削工具１０３の実際の移動軌跡を正確に予測することはできない。本実施例によれば、切削工具１０３の実際の移動軌跡がわからなくても、その実際の移動軌跡を空運転時に取得（Ｓ１３）することで、高精度の切削負荷の予測演算（Ｓ１５）が可能になる。

ここで、実際にワーク１００Ｗに対し切削処理を実行し、実際に計測された切削負荷の結果と、従来のようにＮＣデータを用いて周知の比切削抵抗法によって切削負荷を算出した結果と、本実施例のように工作機械１００の空運転により得られた実際の運動データに基づいて切削負荷を算出した結果と、を比較する。

ここでの切削負荷の計測には、主分力・送り分力・背分力の３分力を計測する３分力動力計４００を用いる。図９に示すように、工作機械１００のテーブル１０１上に３分力動力計４００を押え金４０１で取り付け、その３分力動力計４００にワーク１００Ｗをねじで直接取り付ける。そして、その３分力動力計４００上のワーク１００Ｗの上面を実際に切削して、切削負荷を測定する。３分力動力計４００と工作機械１００の座標系が異なる場合には、３分力動力計４００の結果に対し、その座標系を工作機械１００の座標系に変換する座標変換を行うこととする。

なお、ワーク１００Ｗには、アルミニウム合金A7050（105×90×30mm）の板材を用いる。工具には、超硬質合金（直径8mm：コーティングなし）の２枚刃スクエアエンドミルを用いる。工具刃のねじれ角は30度である。ワーク１００Ｗへの切込量は工具径方向を1mm、工具軸方向を3mmとする。ＮＣデータ１０Ｎは、図１０のように、ワーク１００Ｗの上面の溝形状に対して２回切り込むデータとする。

図１１Ａ及び図１１Ｂは、上記の条件で切削処理を実行し、従来のようにＮＣデータに基づいて切削工具１０３の移動軌跡Ａ１を算出した結果と、実際に計測された切削工具１０３の移動軌跡Ａ２と、を示している。移動軌跡Ａ１とＮＣデータに基づく切削工具１０３の移動軌跡Ａ２とでは、Ｘ方向からＹ方向へと屈曲する地点に近づくほど、ずれが大きくなっている。

図１２Ａ及び図１２Ｂは、上記の条件で切削処理を実行し、実際に計測された切削負荷の結果Ａ３と、従来のようにＮＣデータを用いて周知の比切削抵抗法によって切削負荷を算出した結果Ａ４と、本実施例のように工作機械１００の空運転により得られた実際の運動データに基づいて切削負荷を算出した結果Ａ５と、を示している。結果Ａ３と結果Ａ５とはほぼ一致するのに対し、結果Ａ３と結果Ａ４とでは、Ｘ方向からＹ方向へと屈曲する地点に近いところでのずれが大きくなっている。

なお、切削負荷予測処理を実行するための切削負荷予測プログラム３０Ｐは、記憶部３０６に記憶されており、制御部３０５によって実行されることで、上述のように切削負荷を予測する。このようなプログラム３０Ｐを、例えば、メモリーカード，ＣＤ−ＲＯＭ，ＤＶＤ−ＲＯＭ等のコンピュータ読取可能な記憶媒体に記録しておけば、本発明に係る切削負荷予測プログラム３０Ｐを市場に流通させることができる。そして、その記憶媒体を取得した者は、一般的なパソコンを利用して、本発明の切削負荷予測システム１を容易に構築できる。

以上、本発明の一実施例を説明したが、これはあくまでも例示にすぎず、本発明はこれに限定されるものではなく、特許請求の範囲の趣旨を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、追加及び省略等の種々の変更が可能である。

上記実施例では、比切削抵抗法に基づいて切削負荷を予測しているが、本発明においては、工作機械１００の空運転によってサンプリングされる実際の工具位置（実工具位置）等の運動データ１０Ｍに基づいて切削負荷を算出できる演算手法であれば、他の演算手法を用いてもよい。

１ 切削負荷予測システム
１００ 工作機械
１０１ テーブル
１０２Ｘ，１０２Ｙ，１０２Ｚ 送り軸モータ（送り駆動部）
１０３ 切削工具
１０４ 主軸モータ（切削駆動部）
１０５ 制御部
１００Ｗ ワーク
１０Ａ 切削制御プログラム
１０Ｎ ＮＣデータ
１０Ｌ 実動作データ
１０ｍ 運動データ
１０Ｍ 運動データ
１０Ｋ 切削負荷予測用運動データ
２０１，２０２ 運動データ検出部
３００ 切削負荷予測装置
３０５ 制御部
３０Ｐ 切削負荷予測プログラム

Claims (7)

1. 切削工具が通過する複数の工具位置を工具通過時の送り速度と共に設定するＮＣデータに基づいて前記切削工具を移動させてワークを切削する切削処理を実行する工作機械において、前記切削工具に加わる切削負荷を予測する切削負荷予測方法であって、
   切削負荷の予測対象となる前記ＮＣデータを決定する予測対象データ決定ステップと、
   前記工作機械に対し、決定された前記ＮＣデータに基づく前記切削処理を、切削が生じない空運転の形で実行させる空運転実行ステップと、
   その切削処理時に、前記切削工具が通過する各工具位置を含む該切削工具に関する予め定められた運動データを取得する運動データ取得ステップと、
   前記運動データ取得ステップで取得された前記運動データに含まれる各前記工具位置において、前記切削工具の送り速度を算出する送り速度算出ステップと、
   前記運動データ取得ステップで取得された運動データと、前記送り速度算出ステップで算出された送り速度と、に基づいて、前記工作機械がワークに対し前記ＮＣデータに基づいて前記切削処理を実行した際に前記切削工具に加わる切削負荷を算出する切削負荷予測ステップと、
   を有するとともに、
   前記運動データ取得ステップは、前記工作機械側で所定の検出周期で検出され、所定記憶部に記憶された前記運動データを、前記検出周期とは異なる所定の取得周期で通信取得するステップであり、
   前記送り速度算出ステップは、各工具位置の送り速度を、その工具位置の前後で、その工具位置を含む所定数の工具位置を間に挟む２つの工具位置間の距離と、それら２つの工具位置間における前記切削工具の移動時間と、に基づいて算出することを特徴とする切削負荷予測方法。
2. 前記切削負荷予測ステップで算出された切削負荷の算出結果を外部に出力する出力ステップを有する請求項１に記載の切削負荷予測方法。
3. 切削工具が通過する複数の工具位置を工具通過時の送り速度と共に設定するＮＣデータに基づいて前記切削工具を移動させてワークを切削する切削処理を実行する工作機械において、前記切削工具に加わる切削負荷を予測する切削負荷予測プログラムであって、
   コンピュータに、
   切削負荷の予測対象となる前記ＮＣデータを決定する予測対象データ決定ステップと、
   前記工作機械に対し、決定された前記ＮＣデータに基づく前記切削処理を、切削が生じない空運転の形で実行させる空運転実行ステップと、
   その切削処理時に、前記切削工具が通過する各工具位置を含む該切削工具に関する予め定められた運動データを取得する運動データ取得ステップと、
   前記運動データ取得ステップで取得された運動データに含まれる各前記工具位置において、前記切削工具の送り速度を算出する送り速度算出ステップと、
   前記運動データ取得ステップで取得された運動データと、前記送り速度算出ステップで算出された送り速度と、に基づいて、前記工作機械がワークに対し前記ＮＣデータに基づいて前記切削処理を実行した際に前記切削工具に加わる切削負荷を算出する切削負荷予測ステップと、
   を実行させるとともに、
   前記運動データ取得ステップは、前記工作機械側で所定の検出周期で検出され、所定記憶部に記憶された前記運動データを、前記検出周期とは異なる所定の取得周期で通信取得するステップであり、
   前記送り速度算出ステップは、各工具位置の送り速度を、その工具位置の前後で、その工具位置を含む所定数の工具位置を間に挟む２つの工具位置間の距離と、それら２つの工具位置間における前記切削工具の移動時間と、に基づいて算出することを特徴とする切削負荷予測プログラム。
4. 前記コンピュータに、
   前記切削負荷予測ステップで算出された切削負荷の算出結果を外部に出力する出力ステップを実行させる請求項３に記載の切削負荷予測プログラム。
5. 請求項３又は請求項４に記載の切削負荷予測プログラムが記憶されている記憶媒体。
6. 切削工具が通過する複数の工具位置を工具通過時の送り速度と共に設定するＮＣデータに基づいて前記切削工具を移動させてワークを切削する切削処理を実行する工作機械において、前記切削工具に加わる切削負荷を予測する切削負荷予測システムであって、
   切削負荷の予測対象となる前記ＮＣデータを決定する予測対象データ決定手段と、
   前記工作機械に対し、決定された前記ＮＣデータに基づく前記切削処理を、切削が生じない空運転の形で実行させる空運転実行手段と、
   その切削処理時に、前記切削工具が通過する各工具位置を含む該切削工具に関する予め定められた運動データを取得する運動データ取得手段と、
   前記運動データ取得手段により取得された運動データに含まれる各前記工具位置において、前記切削工具の送り速度を算出する送り速度算出手段と、
   前記運動データ取得手段により取得された前記運動データと、前記送り速度算出手段により算出された送り速度と、に基づいて、前記工作機械がワークに対し前記ＮＣデータに基づいて前記切削処理を実行した際に前記切削工具に加わる切削負荷を算出する切削負荷予測手段と、
   を有するとともに、
   前記運動データ取得手段は、前記工作機械側で所定の検出周期で検出され、所定記憶部に記憶された前記運動データを、前記検出周期とは異なる所定の取得周期で通信取得する手段であり、
   前記送り速度算出手段は、各工具位置の送り速度を、その工具位置の前後で、その工具位置を含む所定数の工具位置を間に挟む２つの工具位置間の距離と、それら２つの工具位置間における前記切削工具の移動時間と、に基づいて算出することを特徴とする切削負荷予測システム。
7. 前記切削負荷予測手段により算出された切削負荷の算出結果を外部に出力する出力手段を有する請求項６に記載の切削負荷予測システム。
   

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