JP7010261B2

JP7010261B2 - 数値制御装置と制御方法

Info

Publication number: JP7010261B2
Application number: JP2019054175A
Authority: JP
Inventors: 弦寺田; 輝久小島
Original assignee: Brother Industries Ltd
Current assignee: Brother Industries Ltd
Priority date: 2019-03-22
Filing date: 2019-03-22
Publication date: 2022-01-26
Anticipated expiration: 2039-03-22
Also published as: JP2020154921A; CN111716148A; CN111716148B

Description

本発明は、数値制御装置と制御方法に関する。

特許文献１は、切削機械の送り軸のサーボモータ又は主軸モータの負荷電流値に基づき切削負荷を監視する方法を開示する。該方法は、加減速によるトルクの影響を受けないようにする為、モータの加減速に必要な電流値をモータ電流の検出値から差し引いた値を補正演算し、該補正後電流値を切削負荷の監視対象とする。

特開平７－２４６９４号公報

モータの加減速に必要な負荷電流値は、機械の経年変化、温度、負荷重量等、様々な要因によって変化する。故に特許文献１に記載の方法は、加減速に必要な電流値をモータ電流の検出値から完全に取り除くことが困難であり、誤差を生じる可能性があった。

本発明の目的は、主軸モータの加工負荷を精度よく監視できる数値制御装置と制御方法を提供することである。

請求項１の数値制御装置は、工作機械の主軸モータの負荷電流値に基づき、被削材の切削加工における加工負荷を監視可能な数値制御装置において、前記切削加工における前記主軸モータの回転開始から回転停止までの駆動期間の前記負荷電流値を測定する測定部と、前記測定部が測定した前記負荷電流値に基づき、前記加工負荷を算出する加工負荷算出部と、前記加工負荷算出部が算出した前記加工負荷は閾値以上か判断する判断部と、前記判断部が前記加工負荷は前記閾値以上と判断した場合、アラームを出力する出力部とを備え、前記駆動期間は少なくとも、前記主軸モータを一定速度まで加速する加速区間と、前記主軸モータを前記一定速度から減速して停止する減速区間とを備え、前記加工負荷算出部は、前記加速区間と前記減速区間の間に、前記一定速度の区間である一定速区間が有るか否か判断する一定速区間判断部と、前記一定速区間判断部が、前記加速区間と前記減速区間の間に、前記一定速区間が有ると判断した場合、前記一定速区間における前記負荷電流値のピーク値を前記加工負荷として算出する第一算出部と、前記一定速区間判断部が、前記加速区間と前記減速区間の間に、前記一定速区間が無いと判断した場合、前記駆動期間における前記負荷電流値の平均値を前記加工負荷として算出する第二算出部とを備えたことを特徴とする。加速区間と減速区間の間に一定速区間が有る場合、数値制御装置は、一定速区間における負荷電流値のピーク値を加工負荷として算出する。故に数値制御装置は加減速によるトルクの影響を受けずに、加工負荷を監視できる。一定速区間において発生する加工負荷の瞬間的な変化、及び加工負荷の緩やかな変化の何れも検出できる。例えば短いタップ加工のように、加速区間と減速区間の間に一定速区間が無い場合、数値制御装置は、駆動期間における負荷電流値の平均値を加工負荷として算出する。負荷電流値は主軸モータのトルクに相当する。駆動期間中の負荷電流値の平均値を算出することで、加速のトルクと減速のトルクは互いに打ち消しあうので、数値制御装置は、加工のトルクを監視できる。故に数値制御装置は、切削加工の駆動期間に一定速区間が有るか無いかに関わらず、加工負荷を精度よく監視できる。「一定速区間が無い」とは、加速区間と減速区間の間に一定速区間が全く無い状態のみならず、駆動期間に占める一定速区間の割合が小さく、一定速区間が短い状態を含んでもよい。

請求項２の数値制御装置の前記一定速区間判断部は、前記加速区間と前記減速区間に必要な加減速距離又は加減速時間を算出する加減速区間算出部と、前記駆動期間に必要な距離又は時間に占める前記加減速区間算出部が算出した前記加減速距離又は前記加減速時間の割合が所定値以下か否か判断する割合判断部とを備え、前記割合判断部が前記割合は前記所定値以下と判断した場合、前記一定速区間が有ると判断し、前記割合判断部が前記割合は前記所定値を超えると判断した場合、前記一定速区間が無いと判断するとよい。数値制御装置は、駆動期間に必要な距離又は時間に占める加減速距離又は加減速時間の割合が所定値以下か否かで、一定速区間の有無を判断する。数値制御装置は一定速区間の長さによって、一定速区間の有無を判断できるので、加工負荷の算出方法を適切に選択できる。

請求項３の数値制御装置の前記切削加工はタップ加工であって、前記工作機械の主軸を前記被削材に対して相対的に互いに直交する３軸方向に移動可能な三つの送りモータのうち、前記タップ加工時に前記主軸を前記被削材に向けて移動する移動モータのトルクを監視するトルク監視部を備え、前記一定速区間判断部は、前記移動モータが駆動を開始し、前記トルク監視部が監視する前記トルクが一定値を超えた場合、前記加速区間は完了しているか否か判断する加速完了判断部を備え、前記加速完了判断部が前記加速区間は完了していると判断した場合、前記一定速区間が有ると判断し、前記加速完了判断部が前記加速区間は完了していないと判断した場合、前記一定速区間が無いと判断するとよい。切削加工はタップ加工である。数値制御装置は、タップ加工時の移動モータのトルクを監視する。移動モータのトルクが一定値を超えた場合、数値制御装置は、被削材に工具が接触して加工が開始したと判断できる。加工開始時、加速区間が完了している場合、数値制御装置は一定速区間が有ると判断する。加工開始時、加速区間が完了していない場合、数値制御装置は一定速区間が無いと判断する。故に数値制御装置は一定速区間の有無に応じて、加工負荷の算出方法を適切に選択できる。

請求項４の数値制御装置の前記切削加工はタップ加工であって、前記工作機械の主軸を前記被削材に対して相対的に互いに直交する３軸方向に移動可能な三つの送りモータのうち、前記タップ加工時には静止する静止モータのトルクを監視するトルク監視部を備え、前記一定速区間判断部は、前記トルク監視部が監視する前記トルクが一定値を超えた場合、前記加速区間は完了しているか否か判断する加速完了判断部とを備え、前記加速完了判断部が前記加速区間は完了していると判断した場合、前記一定速区間が有ると判断し、前記加速完了判断部が前記加速区間は完了していないと判断した場合、前記一定速区間が無いと判断するとよい。切削加工はタップ加工である。数値制御装置は、タップ加工時の静止モータのトルクを監視する。静止モータのトルクが一定値を超えた場合、数値制御装置は、被削材に工具が接触して加工が開始したと判断できる。加工開始時、加速区間が既に完了している場合、数値制御装置は一定速区間が有ると判断する。加工開始時、加速区間が完了していない場合、数値制御装置は一定速区間が無いと判断する。故に数値制御装置は一定速区間の有無に応じて、加工負荷の算出方法を適切に選択できる。

請求項５の数値制御装置は、前記加工負荷算出部が算出した前記加工負荷は前記閾値よりも低い下限閾値以下か判断する下限判断部と、前記下限判断部が前記加工負荷は前記下限閾値以下と判断した場合、前記切削加工が二回目以降の加工であることを報知する報知部とを備えるとよい。二回目以降の加工は、作業者が加工終了したにも関わらず、被削材の交換を忘れて再度加工した場合の加工を意味する。二回目以降の加工の場合、加工負荷はほぼ無い状態である。加工負荷が下限閾値以下の場合、数値制御装置は二回目以降の加工であることを報知するので、作業者は被削材を交換する等、迅速に対応できる。

請求項６の制御方法は、工作機械の主軸モータの負荷電流値に基づき、被削材の切削加工における加工負荷を監視可能な数値制御装置の制御方法において、前記切削加工における前記主軸モータの回転開始から回転停止までの駆動期間の前記負荷電流値を測定する測定ステップと、前記測定ステップで測定した前記負荷電流値に基づき、前記加工負荷を算出する加工負荷算出ステップと、前記加工負荷算出ステップで算出した前記加工負荷は閾値以上か判断する判断ステップと、前記判断ステップで前記加工負荷は前記閾値以上と判断した場合、アラームを出力する出力ステップとを備え、前記駆動期間は少なくとも、前記主軸モータを一定速度まで加速する加速区間と、前記主軸モータを前記一定速度から減速して停止する減速区間とを備え、前記加工負荷算出ステップは、前記加速区間と前記減速区間の間に、前記一定速度の区間である一定速区間が有るか否か判断する一定速区間判断ステップと、前記一定速区間判断ステップで、前記加速区間と前記減速区間の間に、前記一定速区間が有ると判断した場合、前記一定速区間における前記負荷電流値のピーク値を前記加工負荷として算出する第一算出ステップと、前記一定速区間判断ステップで、前記加速区間と前記減速区間の間に、前記一定速区間が無いと判断した場合、前記駆動期間における前記負荷電流値の平均値を前記加工負荷として算出する第二算出ステップとを備えたことを特徴とする。故に数値制御装置は、上記請求項１に記載の効果を得ることができる。

工作機械１の斜視図。数値制御装置３０と工作機械１の電気的構成を示すブロック図。タップ加工の方法を示す図。タップ加工のモータ電流値（トルク）の波形図。短タップ加工の方法を示す図。短タップ加工のモータ電流値（トルク）の波形図。加工制御処理の流れ図。加工制御処理（第一変形例）の流れ図。加工制御処理（第二変形例）の流れ図。加工制御処理（第三変形例）の流れ図。

本発明の実施形態を説明する。以下説明は、図中に矢印で示す左右、前後、上下を使用する。工作機械１の左右方向、前後方向、上下方向は夫々工作機械１のＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向である。図１に示す工作機械１は主軸９に装着した工具４を回転し、工作台１３上面に保持した被削材３に切削加工を施す機械である。数値制御装置３０（図２参照）は工作機械１の動作を制御する。

図１を参照し工作機械１の構造を説明する。工作機械１は、基台２、コラム５、主軸ヘッド７、主軸９、工作台装置１０、工具交換装置２０、制御箱６、操作パネル１５（図２参照）等を備える。基台２は金属製の略直方体状の土台である。コラム５は基台２上部後方に立設する。主軸ヘッド７はコラム５前面に沿ってＺ軸方向に移動可能に設ける。主軸ヘッド７は内部に主軸９を回転可能に支持する。主軸９は主軸ヘッド７下部に装着穴（図示略）を有する。主軸９は該装着穴に工具４を装着し、主軸モータ５２（図２参照）の駆動で回転する。主軸モータ５２は主軸ヘッド７に設ける。主軸ヘッド７はコラム５前面に設けたＺ軸移動機構（図示略）でＺ軸方向に移動する。数値制御装置３０はＺ軸モータ５１（図２参照）の駆動を制御することで、主軸ヘッド７をＺ軸方向に移動制御する。

工作台装置１０は、Ｙ軸移動機構（図示略）、Ｙ軸工作台１２、Ｘ軸移動機構（図示略）、工作台１３等を備える。Ｙ軸移動機構は基台２上面前側に設け、一対のＹ軸レール、Ｙ軸ボール螺子、Ｙ軸モータ５４（図２参照）等を備える。一対のＹ軸レールとＹ軸ボール螺子はＹ軸方向に延びる。一対のＹ軸レールは上面にＹ軸工作台１２をＹ軸方向に案内する。Ｙ軸工作台１２は略直方体状に形成し、底部外面にナット（図示略）を備える。該ナットはＹ軸ボール螺子に螺合する。Ｙ軸モータ５４がＹ軸ボール螺子を回転すると、Ｙ軸工作台１２はナットと共に一対のＹ軸レールに沿って移動する。故にＹ軸移動機構はＹ軸工作台１２をＹ軸方向に移動可能に支持する。

Ｘ軸移動機構はＹ軸工作台１２上面に設け、一対のＸ軸レール（図示略）、Ｘ軸ボール螺子（図示略）、Ｘ軸モータ５３（図２参照）等を備える。Ｘ軸レールとＸ軸ボール螺子はＸ軸方向に延びる。工作台１３は平面視矩形板状に形成し、Ｙ軸工作台１２上面に設ける。工作台１３は底部にナット（図示略）を備える。該ナットはＸ軸ボール螺子に螺合する。Ｘ軸モータ５３がＸ軸ボール螺子を回転すると、工作台１３はナットと共に一対のＸ軸レールに沿って移動する。故にＸ軸移動機構は工作台１３をＸ軸方向に移動可能に支持する。故に工作台１３は、Ｙ軸移動機構、Ｙ軸工作台１２、Ｘ軸移動機構により、基台２上をＸ軸方向とＹ軸方向に移動可能である。

工具交換装置２０は主軸ヘッド７の前側に設け、円盤型の工具マガジン２１を備える。工具マガジン２１は外周に複数の工具（図１では省略）を放射状に保持し、工具交換指令が指示する工具を工具交換位置に位置決めする。工具交換指令はＮＣプログラムで指令する。工具交換位置は工具マガジン２１の最下部位置である。工具交換装置２０は主軸９に装着する工具４と工具交換位置にある工具とを入れ替え交換する。

制御箱６は数値制御装置３０(図２参照）を格納する。数値制御装置３０は、工作機械１に設けたＺ軸モータ５１、主軸モータ５２、Ｘ軸モータ５３、Ｙ軸モータ５４(図２参照）を夫々制御し、工作台１３上に保持した被削材３と主軸９に装着した工具４を相対移動することで各種加工を被削材３に施す。各種加工とは、例えばドリル、タップ等を用いた穴空け加工とタップ加工、エンドミル、フライス等を用いた側面加工等である。

操作パネル１５は、例えば工作機械１を覆うカバー（図示略）の外壁に設ける。操作パネル１５は入力部１６と表示部１７（図２参照）を備える。入力部１６は各種情報、操作指示等の入力を受け付け、後述する数値制御装置３０に出力する。表示部１７は後述する数値制御装置３０からの指令に基づき、各種画面を表示する。

図２を参照し、数値制御装置３０と工作機械１の電気的構成を説明する。数値制御装置３０と工作機械１は、ＣＰＵ３１、ＲＯＭ３２、ＲＡＭ３３、記憶装置３４、入出力部３５、駆動回路５１Ａ～５５Ａ等を備える。ＣＰＵ３１は数値制御装置３０を統括制御する。ＲＯＭ３２は、加工制御プログラムを含む各種プログラム等を記憶する。加工制御プログラムは加工制御処理（図７参照）を実行する。加工制御処理は、ＮＣプログラムを一行ずつ解釈して各種動作を実行しつつ、切削加工時の加工負荷を精度よく計測できる処理である。ＮＣプログラムは各種制御指令を含む複数行で構成し、数値制御装置３０はＮＣプログラムに基づき工作機械１の軸移動、工具交換等を含む各種動作を行単位で制御する。ＲＡＭ３３は各種情報を一時的に記憶する。記憶装置３４は不揮発性であり、ＮＣプログラム、各種情報を記憶する。ＣＰＵ３１は作業者が操作パネル１５の入力部１６で入力したＮＣプログラムに加え、外部入力で読み込んだＮＣプログラム等を記憶装置３４に記憶できる。

駆動回路５１ＡはＺ軸モータ５１とエンコーダ５１Ｂに接続する。駆動回路５２Ａは主軸モータ５２とエンコーダ５２Ｂに接続する。駆動回路５３ＡはＸ軸モータ５３とエンコーダ５３Ｂに接続する。駆動回路５４ＡはＹ軸モータ５４とエンコーダ５４Ｂに接続する。駆動回路５５Ａは工具マガジン２１を駆動するマガジンモータ５５とエンコーダ５５Ｂに接続する。Ｚ軸モータ５１、主軸モータ５２、Ｘ軸モータ５３、Ｙ軸モータ５４、マガジンモータ５５は何れもサーボモータである（以下総称する場合は単にモータと呼ぶ）。駆動回路５１Ａ～５５ＡはＣＰＵ３１から指令を受け、対応する各モータ５１～５５に駆動電流を夫々出力する。駆動電流は、モータの負荷電流であり、モータにかけるトルクに相当する。駆動回路５１Ａ～５５Ａはエンコーダ５１Ｂ～５５Ｂからフィードバック信号を受け、位置と速度のフィードバック制御を行う。入出力部３５は操作パネル１５に接続する。

図３を参照し、一般的なタップ加工を説明する。タップ加工とは、例えば被削材３にタップ穴Ｈ１を形成する加工である。タップ加工では、数値制御装置３０は、工具Ｔを装着した主軸９を回転しながらＺ軸方向に下降し、被削材３を穴底まで切削する。工具Ｔはタップである。タップ加工における主軸モータ５２の駆動期間は、加速区間、一定速区間、減速区間を備える。駆動期間とは、主軸モータ５２の回転開始から回転停止までの駆動期間である。加速区間は、主軸モータ５２の回転開始から一定速度まで加速する区間である。一定速区間は、主軸モータ５２の回転速度を一定速度に維持する区間である。減速区間は、主軸モータ５２の回転速度を一定速度から減速して停止するまでの区間である。加速区間と減速区間の夫々に必要な主軸９のＺ軸方向における移動距離は加減速距離であり、互いに同一である。加減速距離は、例えばタップ加工時の送り速度と時定数から算出するとよい。

図４を参照し、タップ加工時のモータ電流値の時間変化と、加工負荷の測定方法を説明する。モータ電流値とは、駆動回路５２Ａが主軸モータ５２に出力する駆動電流値である。モータ電流値は、ｔ１で一定値Ｍ１からプラス側に増加し、プラス側のピーク値に到達してから減少してｔ２で一定値Ｍ１に戻る。ｔ１～ｔ２は加速区間であり、モータ電流値の波形は逆Ｖ字型に変化する。加速区間後、モータ電流値はｔ２からｔ３まで一定値Ｍ１を維持する。ｔ２～ｔ３は一定速区間である。一定速区間後、モータ電流値は、ｔ３で一定値Ｍ１からマイナス側に増加し、マイナス側のピーク値に到達してから減少してｔ４で一定値Ｍ１に戻る。ｔ３～ｔ４は減速区間であり、モータ電流値の波形はＶ字型に変化する。

加速区間におけるモータ電流値の波形と、減速区間におけるモータ電流値の波形は、一定値Ｍ１を境に、互いにプラスとマイナスが反転した略同一形状である。加速区間におけるモータ電流値の積算値は、トルク波形の三角形の面積Ａ１に相当する。減速区間におけるモータ電流値の積算値は、トルク波形の逆三角形の面積Ａ２に相当する。Ａ１とＡ２の面積比は１：１である。加減速によるトルクが加工によるトルクより大きいと、加工負荷を直接的に測定するのは困難である。面積Ａ１とＡ２の面積比は１：１なので、駆動期間中におけるモータ電流値を平均化すると、加速区間における加速のトルクと、減速区間における減速のトルクは互いに打ち消し合う。故に数値制御装置３０は、駆動期間中におけるモータ電流値を平均化することにより、加減速のトルクの影響を大幅に削減できるので、駆動期間中における加工のトルクを精度よく測定できる。

なお、後述するように、本実施形態では、駆動期間中における一定速区間が長い場合、数値制御装置３０は、モータ電流値の平均値を算出する代わりに、一定速区間におけるモータ電流値のピーク値を検出する。一定速区間におけるピーク値を検出して監視することで、一定速区間に発生する加工負荷の緩やかな変化も瞬間的な変化も検出できる。瞬間的な変化の一例として、例えば工具Ｔのチッピング等によるトルクの瞬間的な変化が相当する。加工負荷の緩やかな変化の一例として、例えば工具の摩耗等が相当する。一定速区間の長さの判断については、後述する。

図５を参照し、短タップ加工を説明する。短タップ加工とは、上記タップ加工において、一定速区間が無い、若しくは一定速区間が短いタップ加工であって、被削材３に底の浅いタップ穴Ｈ２を形成する加工である。短タップ加工における主軸モータ５２の駆動期間は、加速区間と減速区間を備え、加速区間と減速区間の間に一定速区間が無い、若しくは短い一定速区間を備える。

図６を参照し、短タップ加工時のモータ電流の時間変化と、加工負荷の測定方法を説明する。図６（１）の図表は、短タップ加工における空運転時のモータ電流値の波形図である。空運転とは、被削材３を加工せずに、短タップ加工の動作を実行する運転を意味する。空運転において、モータ電流値は、ｔ１１で一定値Ｍ１からプラス側に増加し、プラス側のピーク値に到達してから減少してｔ１２で一定値Ｍ１に戻る。ｔ１１～ｔ１２は加速区間であり、モータ電流値の波形は逆Ｖ字型に変化する。加速区間後、モータ電流値は、ｔ１２で一定値Ｍ１からマイナス側に増加し、マイナス側のピーク値に到達してから減少してｔ１３で一定値Ｍ１に戻る。ｔ１２～ｔ１３は減速区間であり、モータ電流値の波形はＶ字型に変化する。

加速区間におけるモータ電流値の波形と、減速区間におけるモータ電流値の波形は、一定値Ｍ１を境に、互いにプラスとマイナスが反転した略同一形状である。加速区間におけるモータ電流値の積算値は、トルク波形の三角形の面積Ｂ１に相当する。減速区間におけるモータ電流値の積算値は、トルク波形の逆三角形の面積Ｂ２に相当する。空運転時では、駆動期間中に加工のトルクはかからず、加減速のトルクのみがかかるので、Ｂ１とＢ２の面積比は１：１となる。

図６（２）の図表は、短タップ加工における加工中のモータ電流の波形図である。加工中とは、工具Ｔが被削材３に接触して、被削材３を加工している状態が存在することを意味する。加工中において、モータ電流は、空運転時と同様に、ｔ１４で一定値Ｍ１からプラス側に増加し、プラス側のピーク値に到達してから減少してｔ１５で一定値Ｍ１に戻る。ｔ１４～ｔ１５は加速区間であり、モータ電流値の波形は逆Ｖ字型に変化する。加速区間後、モータ電流値は、ｔ１５で一定値Ｍ１からマイナス側に増加し、マイナス側のピーク値に到達してから減少してｔ１６で一定値Ｍ１に戻る。ｔ１５～ｔ１６は減速区間であり、モータ電流値の波形はＶ字型に変化する。短タップ加工では、加減速のトルクが加工のトルクよりも大きいので、空運転時のモータ電流の波形と、加工中のモータ電流の波形は略同一形状となる。

空運転時と加工中において、モータ電流値のピーク値に差が出る可能性はある。例えば、加工中における加速区間のプラス側のピーク値は、空運転時における加速区間のプラス側のピーク値よりも若干高い。加工中における減速区間のマイナス側のピーク値は、空運転時における減速区間のマイナス側のピーク値よりも若干低い。但し、短タップ加工におけるピーク値部分はノイズの影響を受け易い。ピーク値部分は被削材を切削しない場合も有り得る。故にモータ波形のピーク値で加工負荷を安定的に測定するのは困難である。

加工中において、加速区間におけるモータ電流値の積算値は、トルク波形の三角形の面積Ｃ１に相当する。減速区間におけるモータ電流値の積算値は、トルク波形の逆三角形の面積Ｃ２に相当する。Ｃ１とＣ２の面積比は１：１でなく、Ｃ１よりもＣ２の面積の方が若干小さい。故にＣ１とＣ２の面積の違いは、モータ電流値の平均値として現れる。ピーク値以外の部分の差分もモータ電流値の平均値として現れる。上記の通り、数値制御装置３０は、駆動期間中におけるモータ電流値を平均化することにより、ノイズの影響を受け難く、加工負荷を安定して測定できる。数値制御装置３０は、後述する加工制御処理（図８参照）を実行することで、タップ加工時において、主軸モータ５２の駆動期間中における一定速区間の長さに応じて、加工負荷を安定して測定できる。

図７を参照し、加工制御処理を説明する。例えば工作機械１で被削材３にタップ加工を施す場合、作業者は、タップ加工のＮＣプログラムの識別番号を操作パネル１５の入力部１６で入力する。ＣＰＵ３１は、操作パネル１５でＮＣプログラムの識別番号を受け付けると、記憶装置３４から入力した識別番号のＮＣプログラムを読み出し、例えば、表示部１７に表示する。作業者は表示部１７に表示したＮＣプログラムを確認し、実行操作を入力部１６で入力する。実行操作の入力を受け付けた場合、ＣＰＵ３１はＲＯＭ３２から加工制御プログラムを読み出し、本処理を実行する。

ＣＰＵ３１は、ＮＣプログラムを一行解釈する（Ｓ１１）。解釈した一行の制御指令がタップ指令か否か判断する（Ｓ１２）。タップ指令以外の制御指令の場合（Ｓ１２：ＮＯ）、ＣＰＵ３１はその制御指令を実行する（Ｓ１３）。タップ指令以外の制御指令とは、例えば位置決め指令、ドリル指令、工具交換指令等である。ＣＰＵ３１はプログラム終了か否か判断する（Ｓ１４）。次のブロックが終了指令である場合、ＮＣプログラムは終了するので（Ｓ１４：ＹＥＳ）、ＣＰＵ３１は本処理を終了する。次の一行が終了指令でない場合、ＮＣプログラムは引き続き継続するので（Ｓ１４：ＮＯ）、ＣＰＵ３１はＳ１１に戻り、次の行について処理を繰り返す。

解釈した一行の制御指令がタップ指令の場合（Ｓ１２：ＹＥＳ）、ＣＰＵ３１は時定数と主軸９の送り速度に基づき、加減速距離を算出する（Ｓ１５）。時定数は予め設定する。主軸９の送り速度はＮＣプログラムで設定する。ＣＰＵ３１は算出した加減速距離をＲＡＭ３３に一旦記憶する。ＣＰＵ３１はタップ加工の開始位置と終了位置に基づき、タップ加工に必要な駆動距離を算出する（Ｓ１６）。開始位置と終了位置はＮＣプログラムで設定する。ＣＰＵ３１は算出した駆動距離をＲＡＭ３３に一旦記憶する。ＣＰＵ３１は、ＲＡＭ３３に記憶した駆動距離と加減速距離に基づき、加減速割合を算出する（Ｓ１７）。ＣＰＵ３１は、加減速割合は所定値以下か否か判断する（Ｓ１８）。加減速割合は、駆動距離に占める加減速距離の割合である。

例えば、加減速割合が所定値を超える場合（Ｓ１８：ＮＯ）、駆動期間中における一定速区間の割合が小さいので、ＣＰＵ３１は一定速区間が無いと判断し、駆動期間におけるモータ電流値の平均値を監視対象に設定する（Ｓ１９）。例えば、工具Ｔが被削材３を削り始めても加速を続けるような短タップ加工（図５参照）がこれに該当する。一方、加減速割合が所定値以下の場合（Ｓ１７：ＹＥＳ）、駆動期間中における一定速区間の割合が大きいので、ＣＰＵ３１は一定速区間が有ると判断し、一定速区間のピーク値を監視対象に設定する（Ｓ２０）。例えば、工具Ｔが被削材３を削り始めるより前に、加速区間が終了する様な加工（図４参照）がこれに該当する。

ＣＰＵ３１は、駆動回路５２Ａが主軸モータ５２に出力するモータ電流値を計測しながらタップ指令を実行する（Ｓ２１）。計測したモータ電流値はＲＡＭ３３に記憶する。ＣＰＵ３１はタップ加工が完了したか否か判断する（Ｓ２２）。タップ加工が完了するまで（Ｓ２２：ＮＯ）、ＣＰＵ３１はＳ２２に戻り、引き続き、モータ電流値を計測しながらタップ加工を実行する。タップ加工が完了した場合（Ｓ２２：ＹＥＳ）、ＣＰＵ３１はＲＡＭ３３に記憶したモータ電流値に基づき、監視対象のピーク値又は平均値が閾値以上か否か判断する（Ｓ２３）。

監視対象を一定速区間のピーク値に設定した場合、ＣＰＵ３１は、一定速区間におけるモータ電流値の時間変化からピーク値を検出する。ピーク値とは、例えばモータ電流値の最大値又は最小値である。ＣＰＵ３１は検出したピーク値は閾値以上か否か判断する（Ｓ２３）。閾値はピーク値を判定する為の閾値であって、大きな加工負荷が生じているか否かの判定値である。検出したピーク値が閾値未満であった場合（Ｓ２３：ＮＯ）、主軸モータ５２に大きな加工負荷は生じていないので、ＣＰＵ３１はＳ１１に戻り、次の行について処理を繰り返す。

検出したピーク値が閾値以上であった場合（Ｓ２３：ＹＥＳ）、主軸モータ５２に大きな加工負荷が生じているので、ＣＰＵ３１はアラームを出力し（Ｓ２４）、ＮＣプログラムの実行を強制的に終了する。故に数値制御装置３０は主軸モータ５２に大きな加工負荷が生じている状態で、被削材の加工を継続するのを防止できる。アラームの一例として、例えば操作パネル１５の表示部１７に、異常を報知するメッセージ、図形等を表示したり、ブザー、音声等で報知してもよく、アラームの情報を外部機器等に出力するようにしてもよい。アラームの出力により、作業者は、主軸モータ５２に大きな加工負荷が生じたことを認識できるので、工作機械１の異常に迅速に対応できる。

監視対象を一定速区間のピーク値に設定しているので、ＣＰＵ３１は例えば、一定速区間において工具Ｔのチッピングを検出し易い。チッピングは瞬間的な変化であるが、一定速区間において監視することで容易に検出できる。ＣＰＵ３１は、一定速区間に発生する加工負荷の瞬間的な変化のみならず、加工負荷の緩やかな変化も検出できる。

監視対象を駆動期間中の平均値に設定した場合、ＣＰＵ３１は、駆動期間中におけるモータ電流値の平均値を算出する。ＣＰＵ３１は算出した平均値は閾値以上か否か判断する（Ｓ２３）。閾値は、平均値を判定する為の閾値であって、ピーク値の閾値とは異なる閾値である。閾値は、主軸モータ５２に大きな加工負荷が生じているか否かの判定値である。検出した平均値が閾値未満であった場合（Ｓ２３：ＮＯ）、主軸モータ５２に大きな加工負荷は生じていないので、ＣＰＵ３１はＳ１１に戻り、次の行について処理を繰り返す。

検出したピーク値が閾値以上であった場合（Ｓ２３：ＹＥＳ）、主軸モータ５２に大きな加工負荷が生じているので、上記と同様に、ＣＰＵ３１はアラームを出力し（Ｓ２４）、ＮＣプログラムの実行を強制的に終了する。故に数値制御装置３０は、短タップ加工においても、主軸モータ５２に大きな加工負荷が生じている状態で、被削材の加工を継続するのを防止できる。監視対象を駆動期間中のモータ電流値の平均値に設定しているので、駆動期間中に一定速区間が無い、若しくは一定速区間が短くても、ＣＰＵ３１は加工負荷を精度良く測定できる。

以上説明したように、本実施形態の数値制御装置３０は、工作機械１の主軸モータ５２の負荷電流値に基づき、被削材３の切削加工における加工負荷を監視可能である。数値制御装置３０のＣＰＵ３１は、例えばタップ加工における主軸モータ５２の回転開始から回転停止までの駆動期間の負荷電流値を測定する。ＣＰＵ３１は測定した負荷電流値に基づき、加工負荷を算出し、算出した加工負荷は閾値以上か判断する。加工負荷は閾値以上と判断した場合、ＣＰＵ３１はアラームを出力する。駆動期間は少なくとも、加速区間と減速区間を備える。加速区間は、主軸モータ５２を一定速度まで加速する区間である。減速区間は主軸モータ５２を一定速度から減速して停止する区間である。ＣＰＵ３１は加速区間と減速区間の間に一定速区間が有るか否か判断する。一定速区間は主軸モータ５２が一定速度の区間である。加速区間と減速区間の間に一定速区間が有ると判断した場合、ＣＰＵ３１は、一定速区間における負荷電流値のピーク値を加工負荷として算出する。故に数値制御装置３０は、一定速区間において発生する加工負荷の瞬間的な変化、加工負荷の緩やかな変化の何れも検出できる。加速区間と減速区間の間に一定速区間が無いと判断した場合、ＣＰＵ３１は、駆動期間における負荷電流値の平均値を加工負荷として算出する。負荷電流値は主軸モータ５２のトルクに相当する。加速のトルクと減速のトルクは互いに打ち消しあうので、数値制御装置３０は、加工のトルクを精度よく監視できる。故に数値制御装置３０は、タップ加工時の駆動期間中に一定速区間が有るか無いかに関わらず、加工負荷を精度よく監視できる。

本実施形態のＣＰＵ３１は、一定速区間の有無の判断において、加速区間と減速区間に必要な加減速距離を算出する。ＣＰＵ３１は、駆動期間に必要な駆動距離に占める加減速距離の割合が所定値以下か否か判断する。ＣＰＵ３１は割合が所定値以下と判断した場合、駆動期間中における一定速区間の割合は大きい。故にＣＰＵ３１は加速区間と減速区間の間に一定速区間が有ると判断し、一定速区間における負荷電流値のピーク値を加工負荷として算出する。ＣＰＵ３１は割合が所定値を超えると判断した場合、駆動期間中における一定速区間の割合は小さい。故にＣＰＵ３１は加速区間と減速区間の間に一定速区間は無いと判断し、駆動期間における負荷電流値の平均値を加工負荷として算出する。故に数値制御装置３０は、駆動期間における一定速区間の長さを適切に判断し、一定速区間の長さに応じて加工負荷の算出方法を適切に選択できる。

上記説明にて、Ｓ２１の処理を実行するＣＰＵ３１は本発明の測定部の一例である。Ｓ２３の処理を実行するＣＰＵ３１は本発明の判断部の一例である。Ｓ２４の処理を実行するＣＰＵ３１は本発明の出力部の一例である。Ｓ１５～Ｓ１８の処理を実行するＣＰＵ３１は本発明の一定速区間判断部の一例である。Ｓ２０の処理を実行するＣＰＵ３１は本発明の第一算出部の一例である。Ｓ１９の処理を実行するＣＰＵ３１は本発明の第二算出部の一例である。Ｓ１５の処理を実行するＣＰＵ３１は本発明の加減速区間算出部の一例である。Ｓ１８の処理を実行するＣＰＵ３１は本発明の割合判断部の一例である。

本発明は上記実施形態に限らず各種変形が可能である。図７に示す加工制御処理のＳ１７において、ＣＰＵ３１は、タップ加工時における主軸モータ５２の駆動期間に必要なＺ軸方向の駆動距離に占める加減速距離の割合が所定値以下か否かで、一定速区間の長さを判断するが、これ以外の方法で一定速区間の長さを判断してもよい。例えば、第一変形例として、タップ加工時において、主軸９を被削材３に向けて移動するＺ軸モータ５１のトルクを監視し、監視するトルクが一定値を超えた時、被削材３を削り始めたので、その時に加速区間が完了しているか否かで、駆動期間における一定速区間の長さを判断してもよい。第二変形例として、タップ加工時において静止するＸ軸モータ５３又はＹ軸モータ５４のトルクを監視し、監視するトルクが一定値を超えた時、被削材３を削り始めたので、その時に加速区間が完了しているか否かで、駆動期間における一定速区間の長さを判断してもよい。

図８を参照し、第一変形例を説明する。第一変形例の加工制御処理は、上記実施形態の加工制御処理（図７参照）の一部を変形したものである。第一変形例の加工制御処理は、上記実施形態の加工制御処理のＳ１５～Ｓ１８の代わりに、新たなＳ３１～Ｓ３５を実行し、Ｓ２１を削除する。上記実施形態の加工制御処理と共通する処理は、同一のステップ番号を付し、説明を省略又は簡略する。

ＣＰＵ３１はＮＣプログラムを１行解釈し（Ｓ１１）、解釈した１行の制御指令がタップ指令の場合（Ｓ１２：ＹＥＳ）、タップ指令を実行し（Ｓ３１）、主軸モータ５２のモータ電流値の測定を開始する（Ｓ３２）。ＣＰＵ３１はＺ軸モータ５１のトルクの測定を開始する（Ｓ３３）。ここでＺ軸モータ５１のトルクとは加減速、自重保持、摩擦等の影響を除いた外乱トルク（外乱力）であって、駆動回路５１ＡからＺ軸モータ５１に出力する外乱トルクに相当するモータ電流値である。測定した主軸モータ５２のモータ電流値と、Ｚ軸モータ５１のトルクはＲＡＭ３３に一旦記憶する。ＣＰＵ３１は、Ｚ軸モータ５１のトルクが一定値を超えたか否か判断する（Ｓ３４）。Ｚ軸モータ５１のトルクが一定値以下の場合（Ｓ３４：ＮＯ）、工具Ｔは被削材３に接触していないので、ＣＰＵ３１はＳ３３に戻って主軸９を下降し続ける。

Ｚ軸モータ５１のトルクが一定値を超えた場合（Ｓ３４：ＹＥＳ）、工具Ｔは被削材３に接触したので、ＣＰＵ３１は加速区間が完了しているか否か判断する（Ｓ３５）。加速区間が完了していない場合（Ｓ３５：ＮＯ）、ＣＰＵ３１は、駆動期間中において一定速区間は無い、若しくは一定速区間は短いと判断し、駆動期間中におけるモータ電流の平均値を監視対象に設定する（Ｓ１９）。一方、加速区間が完了している場合（Ｓ３５：ＹＥＳ）、ＣＰＵ３１は、駆動期間中において一定速区間は長いと判断し、駆動期間中における一定速区間のピーク値を監視対象に設定する（Ｓ２０）。故に第一変形例は、タップ加工において、被削材３に工具Ｔが接触する時に加速区間が完了しているか否かで、一定速区間の長さを判断できる。

上記説明にて、Ｓ３３の処理を実行するＣＰＵ３１は本発明のトルク監視部の一例である。Ｓ３４、Ｓ３５の処理を実行するＣＰＵ３１は本発明の加速完了判断部の一例である。

図９を参照し、第二変形例を説明する。第二変形例の加工制御処理は、上記第一変形例の加工制御処理（図８参照）の一部を変形したものである。故に第二変形例は、上記第一変形例と異なる部分を中心に説明し、その他の説明は省略又は簡略化する。第二変形例の加工制御処理は、上記第一変形例の加工制御処理のＳ３３、Ｓ３４の代わりに、新たなＳ４３、Ｓ４４を実行する。第二変形例のＣＰＵ３１は、タップ加工時には静止するＸ軸モータ５３（又はＹ軸モータ５４）のトルクの測定を開始する（Ｓ４３）。ここでＸ軸モータ５３のトルクとは加減速、摩擦等の影響を除いた外乱トルク（外乱力）であって、駆動回路５３ＡからＸ軸モータ５３に出力する外乱トルクに相当するモータ電流値である。ＣＰＵ３１はＸ軸モータ５３のトルクが一定値を超えたか否か判断する（Ｓ４４）。

Ｘ軸モータ５３のトルクが一定値以下の場合（Ｓ４４：ＮＯ）、工具Ｔは被削材３に接触していないので、ＣＰＵ３１はＳ４４に戻って主軸９を下降し続ける。Ｘ軸モータ５３のトルクが一定値を超えた場合（Ｓ４４：ＹＥＳ）、第一変形例と同様に、ＣＰＵ３１は工具Ｔが被削材３に接触したと判断できるので、駆動期間のうち加速区間が完了しているか否か判断する（Ｓ３５）。故に第二変形例は、タップ加工時には静止するＸ軸モータ５３（又はＹ軸モータ５４）のトルクを監視することで、第一変形例と同様に、工具Ｔが被削材３に接触したか否かを判断できる。なお、Ｓ３５以降の処理は、第一変形例と同様である。

上記説明にて、Ｓ４３の処理を実行するＣＰＵ３１は本発明のトルク監視部の一例である。Ｓ４４、Ｓ３５の処理を実行するＣＰＵ３１は本発明の加速完了判断部の一例である。

図１０を参照し、第三変形例を説明する。第三変形例の加工制御処理は、タップ加工の二度加工を判定し、二度加工と判定した場合は作業者に報知する。二度加工とは、加工が完了したにも関わらず、作業者が工作台１３上の被削材３の交換を忘れて再度加工したときの二回目以降の加工を意味する。第三変形例の加工制御処理は、上記実施形態の加工制御処理（図７参照）のＳ２３：ＮＯの判断の後に、新たなＳ５１とＳ５２を実行する。その他の処理は共通である。故に第三変形例は、上記実施形態と異なる部分を中心に説明し、共通する部分の説明は省略又は簡略化する。

タップ加工の完了後（Ｓ２２：ＹＥＳ）、ＣＰＵ３１は監視対象の加工負荷が閾値以上か否か判断する（Ｓ２３）。例えば、監視対象が駆動期間中のモータ電流値の平均値であって、その平均値が閾値未満であった場合（Ｓ２３：ＮＯ）、ＣＰＵ３１はその加工負荷である平均値が下限閾値以下か否か判断する（Ｓ５１）。下限閾値とは、Ｓ２３で判断する際の閾値よりも低い値であって、例えばゼロに近い値に設定するとよい。平均値が下限閾値を超えている場合（Ｓ５１：ＮＯ）、主軸モータ５２には適切な加工負荷がかかっているので、ＣＰＵ３１はＳ１１に戻り、処理を繰り返す。

平均値が下限閾値以下の場合（Ｓ５１：ＹＥＳ）、加工負荷がほぼ無い状態であることから、二度加工の可能性がある。故にＣＰＵ３１は、二度加工の報知を操作パネル１５の表示部１７で行う（Ｓ５２）。ＣＰＵ３１は例えば、表示部１７に二度加工である旨のメッセージ、図形等を表示してもよい。作業者は表示部１７における報知により、工作台１３上の被削材３を確認し、新しい被削材３に交換する等、迅速な対応が可能となる。なお、二度加工の報知の態様は、表示部１７の表示以外に、例えば、音声、ブザー等で行ってもよく、二度加工の報知を外部機器等に出力するようにしてもよい。

上記説明にて、Ｓ５１の処理を実行するＣＰＵ３１は本発明の下限判断部の一例である。Ｓ５２の処理を実行するＣＰＵ３１は本発明の報知部の一例である。

本発明は、上記第一、第二、第三変形例の他にも各種変形が可能である。上記実施形態の加工制御処理（図７参照）では、駆動期間に必要な駆動距離に占める加減速距離の割合が所定値以下か否か判断するが（Ｓ１５～Ｓ１７参照）、駆動期間に必要な時間に占める加減速時間の割合が所定値以下か否かで判断してもよい。

上記実施形態の加工制御処理（図７参照）は、切削加工の一例として、タップ加工の駆動期間中における加工負荷を監視するが、その他の加工、例えば、ドリル加工、フライス加工等にも適用可能である。

上記実施形態の工作機械１は、工具４を装着する主軸９がＺ軸方向に移動可能であり、工作台１３がＸ軸とＹ軸方向に移動可能であるが、工作台１３上の被削材３に対してＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に相対的に移動する主軸の移動機構の仕組みは上記実施形態に限定しない。例えば主軸はＸ、Ｙ、Ｚ軸方向の三軸に駆動するもので、工作台は固定若しくは回転可能であってもよい。

上記実施形態の工作台装置１０は工作台１３をＸ軸方向とＹ軸方向に並進可能に支持する機械装置であるが、工作台１３を回転可能に支持するようにしてもよい。

上記実施形態の工作機械１は主軸がＺ軸方向に対して平行な縦型の工作機械であるが、主軸が水平方向に延びる横型の工作機械であってもよい。

上記実施形態の駆動回路５１Ａ～５５Ａは工作機械１に設けているが、駆動回路５１Ａ～５５Ａを数値制御装置３０に設けてもよい。

１工作機械
３被削材
３０数値制御装置
３１ＣＰＵ
５１Ｚ軸モータ
５２主軸モータ
５３Ｘ軸モータ
５４Ｙ軸モータ
Ｔ工具

Claims

工作機械の主軸モータの負荷電流値に基づき、被削材の切削加工における加工負荷を監視可能な数値制御装置において、
前記切削加工における前記主軸モータの回転開始から回転停止までの駆動期間の前記負荷電流値を測定する測定部と、
前記測定部が測定した前記負荷電流値に基づき、前記加工負荷を算出する加工負荷算出部と、
前記加工負荷算出部が算出した前記加工負荷は閾値以上か判断する判断部と、
前記判断部が前記加工負荷は前記閾値以上と判断した場合、アラームを出力する出力部と
を備え、
前記駆動期間は少なくとも、
前記主軸モータを一定速度まで加速する加速区間と、
前記主軸モータを前記一定速度から減速して停止する減速区間と
を備え、
前記加工負荷算出部は、
前記加速区間と前記減速区間の間に、前記一定速度の区間である一定速区間が有るか否か判断する一定速区間判断部と、
前記一定速区間判断部が、前記加速区間と前記減速区間の間に、前記一定速区間が有ると判断した場合、前記一定速区間における前記負荷電流値のピーク値を前記加工負荷として算出する第一算出部と、
前記一定速区間判断部が、前記加速区間と前記減速区間の間に、前記一定速区間が無いと判断した場合、前記駆動期間における前記負荷電流値の平均値を前記加工負荷として算出する第二算出部と
を備えたことを特徴とする数値制御装置。
前記一定速区間判断部は、
前記加速区間と前記減速区間に必要な加減速距離又は加減速時間を算出する加減速区間算出部と、
前記駆動期間に必要な距離又は時間に占める前記加減速区間算出部が算出した前記加減速距離又は前記加減速時間の割合が所定値以下か否か判断する割合判断部と
を備え、
前記割合判断部が前記割合は前記所定値以下と判断した場合、前記一定速区間が有ると判断し、
前記割合判断部が前記割合は前記所定値を超えると判断した場合、前記一定速区間が無いと判断すること
を特徴とする請求項１に記載の数値制御装置。
前記切削加工はタップ加工であって、
前記工作機械の主軸を前記被削材に対して相対的に互いに直交する３軸方向に移動可能な三つの送りモータのうち、前記タップ加工時に前記主軸を前記被削材に向けて移動する移動モータのトルクを監視するトルク監視部を備え、
前記一定速区間判断部は、
前記移動モータが駆動を開始し、前記トルク監視部が監視する前記トルクが一定値を超えた場合、前記加速区間は完了しているか否か判断する加速完了判断部を備え、
前記加速完了判断部が前記加速区間は完了していると判断した場合、前記一定速区間が有ると判断し、
前記加速完了判断部が前記加速区間は完了していないと判断した場合、前記一定速区間が無いと判断すること
を特徴とする請求項１に記載の数値制御装置。
前記切削加工はタップ加工であって、
前記工作機械の主軸を前記被削材に対して相対的に互いに直交する３軸方向に移動可能な三つの送りモータのうち、前記タップ加工時には静止する静止モータのトルクを監視するトルク監視部を備え、
前記一定速区間判断部は、
前記トルク監視部が監視する前記トルクが一定値を超えた場合、前記加速区間は完了しているか否か判断する加速完了判断部と
を備え、
前記加速完了判断部が前記加速区間は完了していると判断した場合、前記一定速区間が有ると判断し、
前記加速完了判断部が前記加速区間は完了していないと判断した場合、前記一定速区間が無いと判断すること
を特徴とする請求項１に記載の数値制御装置。
前記加工負荷算出部が算出した前記加工負荷は前記閾値よりも低い下限閾値以下か判断する下限判断部と、
前記下限判断部が前記加工負荷は前記下限閾値以下と判断した場合、前記切削加工が二回目以降の加工であることを報知する報知部と
を備えたこと
を特徴とする請求項１から４の何れかに記載の数値制御装置。
工作機械の主軸モータの負荷電流値に基づき、被削材の切削加工における加工負荷を監視可能な数値制御装置の制御方法において、
前記切削加工における前記主軸モータの回転開始から回転停止までの駆動期間の前記負荷電流値を測定する測定ステップと、
前記測定ステップで測定した前記負荷電流値に基づき、前記加工負荷を算出する加工負荷算出ステップと、
前記加工負荷算出ステップで算出した前記加工負荷は閾値以上か判断する判断ステップと、
前記判断ステップで前記加工負荷は前記閾値以上と判断した場合、アラームを出力する出力ステップと
を備え、
前記駆動期間は少なくとも、
前記主軸モータを一定速度まで加速する加速区間と、
前記主軸モータを前記一定速度から減速して停止する減速区間と
を備え、
前記加工負荷算出ステップは、
前記加速区間と前記減速区間の間に、前記一定速度の区間である一定速区間が有るか否か判断する一定速区間判断ステップと、
前記一定速区間判断ステップで、前記加速区間と前記減速区間の間に、前記一定速区間が有ると判断した場合、前記一定速区間における前記負荷電流値のピーク値を前記加工負荷として算出する第一算出ステップと、
前記一定速区間判断ステップで、前記加速区間と前記減速区間の間に、前記一定速区間が無いと判断した場合、前記駆動期間における前記負荷電流値の平均値を前記加工負荷として算出する第二算出ステップと
を備えたことを特徴とする制御方法。