JP2023008161A - 自動運転安定化装置、自動運転安定化方法およびプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】切削加工プロセスのびびり振動の発生を、工場等の外乱が発生しうる環境中であっても、高精度にびびり振動検知して抑制する。【解決手段】切削工具５を主軸７に装着し、前記主軸７と共に前記切削工具５を回転させて、被削材６の切削加工を行う加工装置４に対して切削加工を制御する指令を出力する自動運転安定化装置１７において、前記被削材の寸法を算出する被削材寸法算出部２１と、前記被削材の寸法に基づいて、前記切削加工における前記被削材の相対移動速度を示す送り速度を算出する加工条件算出部２２と、前記切削加工における前記加工装置４の送り軸モータ１０の電流である送り軸モータ電流のばらつきに基づき判定された前記加工装置４でのびびり振動の発生に応じて、前記送り速度および前記主軸７の回転数のうち少なくとも一方を変更する変更指令を、前記加工装置４に出力する加工装置指令部２５を備える自動運転安定化装置１７である。【選択図】図１

Description

本発明は、切削加工プロセスにおけるびびり振動に基づき、加工装置を制御するための技術に関する。

加工装置を用いて切削工具と被削材とを相対運動させ、被削材に加工を施す切削加工プロセスにおいては、びびり振動の発生や切削工具が破損することがある。びびり振動が発生すると加工品質の低下や、切削工具の刃先欠損などを引き起こす場合がある。また、切削工具の刃先欠損はびびり振動以外に、被削材に内在する異物などの噛み込み等によっても発生し、刃先が欠損したまま加工を継続すると切削工具が大きく損傷する場合がある。刃先交換式の切削工具では交換可能なインサートチップと呼ばれる刃先だけでなく、インサートチップを取り付けるボディにまで損傷が及ぶ場合がある。

特許文献１に記載のびびり振動制御装置では、振動を検出する振動検出手段と、振動検出手段が検出した振動に基づいて切削工具の振動を解析する振動解析手段と、振動解析手段における解析結果に基づいて、切削工具の送り速度を制御する工具制御手段とを有し、切削工具のびびり振動の大きさが閾値を超える大きさのびびり振動を検出すると工具制御手段が、切削工具の回転数や送り速度を変更してびびり振動を抑制する。振動検出手段として、加速度センサやマイクロフォン等を例示することができると記載されている。

また、特許文献２に記載の工具異常の検出装置では、加工装置のモータの負荷の単位時間当たりの変動幅を算出して、閾値との比較に基づいて切削工具の異常を検知する。

特開２０１８－２０４２６号公報 特開２０２０－１５７４４７号公報

しかしながら、工場等の切削加工現場では、複数の異なる加工装置が近い場所に設置されていたり、クレーンによる被削材の積み下ろし等による環境要因の振動や音が突発的に発生し、びびり振動事象を検知するうえでの外乱が多数存在する。このような外乱が発生しうる環境下で従来の振動検出手段によるびびり振動検知装置を稼働させると、加速度センサやマイクロフォンの設置位置を調整しても外乱による誤報を発生する可能性が高くなる。

また、びびり振動が発生した際は、切削工具の回転数や送り速度の減速、切削加工の一時停止等、切削加工の設定値を変更することでびびり振動の対策をする。このため、びびり振動を確実に検知できたとしても誤報が多発する場合には、切削加工プロセスの生産性を下げてしまうとの課題が生じる。

また、鍛造や圧延などで成型した板状材料の側面を切削加工して所望の寸法（幅）に調整する切削加工プロセスがある。板状の被削材の幅や厚さが一定でなく寸法が変動し、また、板状の被削材には曲がりも発生している。このため、主軸サーボモータ電流には切削抵抗が反映されるが、このような不定形な寸法の板状の被削材の切削加工では正常状態の電流値の変動が大きく、正常状態と異常状態を高精度に判別することが難しい。ゆえに、寸法が変動する被削材の切削加工では、加工装置のサーボモータ電流などの測定データを用いて切削工具の異常を検知する場合に、正常状態と異常状態とを高精度に判別することが課題となる。

更に、寸法が変動する被削材に対して、高能率な切削加工プロセスを実現するには、被削材の寸法に合わせて適正な送り速度を設定するのが有効である。しかし、頻繁に被削材の寸法が変わる場合には、作業者が手動で送り速度を調整して対応する場合が多く、自動化の妨げとなっている。ゆえに切削加工プロセスの自動運転において高能率化を図ることも課題である。

そこで、本発明の目的は、不定形な寸法の被削材の切削加工において、切削加工現場などの従来のびびり振動検知方法に対して外乱が多数存在する環境下で、高精度にびびり振動を検知して抑制することである。また、より望ましくは、更に高精度に工具異常を検出して工具の破損拡大を抑制できる自動運転の安定化を図ることである。加えて、不定形な被削材の寸法を自動で取得して被削材の寸法に合わせ、適正な送り速度を自動で設定が可能な自動運転の安定化を図ることを課題とする。

上記の課題を解決するために、本発明では、駆動部から得られる送り軸モータ電流のばらつきに基づいて、びびり振動の発生を検知する。より詳細には、切削工具を主軸に装着し、前記主軸と共に前記切削工具を回転させて、被削材の切削加工を行う加工装置に対して切削加工を制御する指令を出力する自動運転安定化装置において、前記被削材の寸法を算出する被削材寸法算出部と、前記被削材の寸法に基づいて、前記切削加工における前記被削材の相対移動速度を示す送り速度を算出する加工条件算出部と、前記切削加工における前記加工装置の送り軸モータの電流である送り軸モータ電流のばらつきに基づき判定された前記加工装置でのびびり振動の発生に応じて、前記送り速度および前記主軸の回転数のうち少なくとも一方を変更する変更指令を、前記加工装置に出力する加工装置指令部を備える自動運転安定化装置である。

なお、本発明には、自動運転安定化装置を用いた自動運転安定化方法や、自動運転安定化装置をコンピュータとして機能させるプログラムおよびこのプログラムを格納した記憶媒体も含まれる。

本発明によれば、より高精度にびびり振動を検知し、これを抑止できる加工制御が可能となる。

本発明の一実施例における自動運転安定化システムの構成を示す図である。 本発明の一実施例における自動運転安定化システムで処理されるフローチャートである。 本発明の一実施例におけるびびり振動が発生した後、自動でびびり振動を抑制した際の送り軸モータ電流の時系列チャート図である。 本発明の一実施例におけるびびり振動が発生した後、自動でびびり振動を抑制した際の送り軸モータ電流の標準偏差の時系列チャート図である。 本発明の一実施例におけるびびり振動が発生した後、自動でびびり振動を抑制した際の送り速度の時系列チャート図である。 本発明の一実施例におけるびびり振動発生前後の送り軸モータ電流の標準偏差の時系列チャート図である。 本発明の一実施例における送り軸モータ電流の平均値の時系列チャート図である。 本発明の一実施例における工具異常を検出して加工を停止した際の送り軸モータ電流の時系列チャート図である。 本発明の一実施例における工具異常を検出して加工を停止した際の送り軸モータ電流の標準偏差の時系列チャート図である。 本発明の一実施例における工具異常を検出して加工を停止した際の送り速度の時系列チャート図である。 本発明の一実施例における被削材情報得部で取得した画像データを示す図である。 本発明の一実施例における被削材寸法による送り速度の算出処理のための算出規則を示す図である。 本発明の一実施例における表示部のＧＵＩ画面を示す図である。

以下、本発明の一実施例について、説明する。本実施例では、様々な形状の被削材、つまり、不定形な寸法の被削材の切削加工を行う加工装置４を対象とする。なお、本実施例を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一の符号を付するようにし、その繰り返しの説明は原則として省略する。ただし、本発明は以下に示す実施例の記載内容に限定して解釈されるものではない。本発明の思想ないし趣旨から逸脱しない範囲で、その具体的構成を変更しえることは当業者であれば容易に理解される。

以下、本実施例の詳細に説明する。本実施例では、不定形な寸法の被削材の切削加工を行う加工装置４において、被削材の寸法を自動で取得して送り速度を設定し、送り軸モータ電流のばらつき増加を閾値判定してびびり振動を検出する。そして、その後、送り速度を自動制御により変化させてびびり振動を抑制し、また、送り軸モータ電流のばらつきが再度閾値超過する場合には、工具異常と判定して工具の破損を検知する。

図１は、本実施例における自動運転安定化システム１の構成を示す図である。図１は加工装置４に自動運転安定化システム１が取り付けられた例である。また、自動運転安定化システム１での切削プロセスは板状の被削材６の側面を切削加工する例である。加工装置４は、ＮＣプログラム（Numerical Control）で制御が可能なＮＣフライス盤やマシニングセンタなどである。

加工装置４では、切削工具５を主軸７に固定し主軸モータ８で主軸７を回転させ、被削材６をテーブル９に固定して、切削工具５と被削材６を相対的に移動し接触させることで被削材６を所望の形状に加工する。このとき、ＮＣプログラムが記憶されたＮＣ装置１２からの指令により、サーボアンプ１１ａが主軸モータ８に入力する電流値を制御する。これにより指令通りの回転数にて主軸モータ８を回転させる。また、同様にＮＣ装置１２からの指令により、サーボアンプ１１ｂが送り軸モータ１０に入力する電流値を制御する。これにより指令通りの送り速度となるように送り軸モータ１０を回転させる。切削工具５は、複数の刃を有する刃先交換式のエンドミルなどである。

自動運転安定化システム本体である自動運転安定化装置１７は、汎用の計算機上に構成することができる。そのハードウェア構成は、以下の構成要素で構成される。
・ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）などにより構成される演算部２
・ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、フラッシュメモリなどを用いたＳＳＤ（Solid State Drive）などにより構成される記憶部３
・キーボードやマウス等の入力デバイスより構成される入力部１３
・ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）、有機ＥＬディスプレイなどの表示装置、各種出力装置などにより構成される表示部１４
・ＮＩＣ（Network Interface Card）、入出力インターフェース機器などにより構成される通信部１５。

通信部１５は、有線ネットワーク若しくは無線ネットワーク、または個別の専用ケーブルやＵＳＢ（Universal Serial Bus）ケーブル等と接続する。そして、通信部１５はこれらと介して、加工装置４のサーボアンプ１１ｂと送り軸モータ1０の間より電流値を測定する測定部１６と、ＮＣ装置１２および被削材情報取得部１８と接続されている。

測定部１６は、電流センサやＡＤ変換器などから構成される。被削材情報取得部１８はカメラや変位計などから構成される。自動運転安定化システム１は、自動運転安定化装置１７と測定部１６および被削材情報取得部１８から構成される。

演算部２は、記憶部３に記憶されている各プログラムをＲＡＭへロードしてＣＰＵで実行することにより各機能部を実現する。プログラムには、被削材寸法算出プログラム３１、加工条件算出プログラム３２、測定信号処理プログラム３３、異常検知プログラム３４、加工装置指令プログラム３５が存在する。演算部２は、各プログラムに該当する被削材寸法算出部２１、加工条件算出部２２、測定信号処理部２３、異常信号処理部２４、加工装置指令部２５を有する。ここで、これらの機能は、プログラムに従った処理で実現してもよいし、専用ハードウェアでの処理で実現してもよい。なお、本実施例では、各部と各プログラムが１対１で対応しているが、これに限定されない。また、プログラムに従った処理を行う場合、演算部２は各部に分けられなくともよいが、本実施例では、各部で処理を実行するものとして説明する。なお、これらプログラム
記憶部３は、上述の各プログラムと、制御パラメータ３６、被削材情報３７、被削材寸法３８、測定信号３９の各情報を記憶する記憶領域を有する。

自動運転安定化システム１は、被削材６が加工装置４に投入される信号をＮＣ装置１２から受けて起動する。そして、測定部１６が測定してサーボアンプ１１ｂと送り軸モータ１０の間より得られた電流値（以後、送り軸モータ電流と称する）の測定信号により加工終了を判定するまで動作する。または、切削工具の異常が検知された場合は、事前に設定された加工装置４の制御の指示を発行し終えるまで動作する。

被削材寸法算出部２１は、記憶部３の被削材寸法算出プログラム３１を用いて被削材情報３７に記憶された被削材情報取得部１８で取得した測定データから被削材の寸法を算出する。算出した被削材の寸法は、記憶部３の被削材寸法３８に記憶される。

加工条件算出部２２は、記憶部３の加工条件算出プログラム３２を用いて被削材寸法３８に記憶された被削材の寸法に応じた送り速度を算出する。算出する送り速度は、被削材の寸法に応じた正常時の送り速度と、びびり振動が検知された際の異常検知時の送り速度である。異常検知時の送り速度は、正常時の送り速度を基に算出する。算出した送り速度は、記憶部３の制御パラメータ３６に記憶される。また、正常時の送り速度は、加工装置指令部２５により、加工装置指令プログラム３５に従って、切削加工開始前に加工装置４のＮＣ装置１２に出力される。

測定信号処理部２３は、記憶部３の測定信号処理プログラム３３を用いて測定信号３９に記憶された送り軸モータ電流の測定信号を演算処理して、びびり振動と工具異常を判定する。

異常信号処理部２４は、測定信号処理部２３でびびり振動が判定された場合には、制御パラメータ３６に記憶された異常検知時の送り速度および主軸７の回転数の少なくとも一方を、加工装置指令部２５により、加工装置４のＮＣ装置１２に出力する。

また、測定信号処理部２３で工具異常と判定された場合には、制御パラメータ３６に予め記憶された加工装置４の動作を実施する変更指令を、加工装置指令部２５により加工装置４のＮＣ装置１２に出力する。このときの指令は、工具退避や工具交換などである。

次に、図１に示す自動運転安定化システム１と加工装置４にて行われる処理フローを図２のフローチャートの例に沿って、以下で説明する。

まず、ステップＳ０１では、自動運転安定化システム１の稼働を開始する。操作者により、表示部１４に表示した後述する自動運転安定化システムのＧＵＩ画面の稼働開始ボタンが押されることで、自動運転安定化システム１の稼働が開始して、被削材投入開始信号の待機状態となる。

次に、ステップＳ０２では、自動運転安定化システム１は、被削材６が加工装置４に投入されるトリガ信号により被削材６が投入されたことを認識する。この認識は、被削材寸法算出部２１などが実行することができる。ここで、被削材６が加工装置４に投入されたことを認識するトリガ信号には、ＮＣプログラムの情報を監視して特定の文字列の読み込みなどをトリガとしてもよい。もしくは、加工装置４に内蔵するＰＬＣ（Programmable logic controller）や後付けしたＰＣＬから被削材６が加工装置４に投入される信号を出力してトリガとしてもよい。また、加工装置４の被削材６の移動経路にセンサを取り付けて、被削材６の移動を検知した信号などをトリガとしてもよい。

次に、ステップＳ０３では、被削材情報取得部１８により、切削加工の加工負荷（切削抵抗）に影響を及ぼす形状および寸法を取得する。例えば、板状の被削材６の側面を切削加工する場合には板材の厚さ、板状の被削材６の上面を加工する場合には幅を取得する。被削材情報取得部１８にカメラや変位計などを用いる。被削材情報取得部１８にカメラを用いる場合には、測定したデータは、記憶部３の被削材情報３７に記憶する。被削材情報取得部１８に被削材の寸法を直接取得できる変位計等を用いる場合には、記憶部３の被削材寸法３８に測定した被削材の寸法を記憶する。

なお、被削材情報取得部１８に被削材６の寸法を直接的に取得できる変位計などを用いるには、加工装置４において、被削材６の移動経路で切削加工に支障がない位置で被削材６に接触または近づけて変位計などのセンサを設置する必要がある。一方、被削材情報取得部１８にカメラを用いる場合は、変位計などに比べて被削材６から離れた位置に設置できるため設置場所の選択肢が多い利点がある。

次に、ステップＳ０４では、被削材寸法算出部２１により、被削材情報３７に記憶された被削材情報取得部１８で取得した測定データから被削材寸法算出プログラム３１を用いて被削材６の寸法を算出する。算出した被削材６の寸法は、記憶部３の被削材寸法３８に記憶する。なお、被削材情報取得部１８に変位計などを用いた場合は、このステップは省略される。

次に、ステップＳ０５では、加工条件算出部２２により、被削材情報３７に記憶された被削材６の寸法データから加工条件算出プログラム３２を用いて、被削材６の寸法に応じた正常時の送り速度と、びびり振動を検知した際の異常時の送り速度を算出する。算出した正常時の送り速度と異常時の送り速度は記憶部３の制御パラメータ３６に記憶する。なお、異常時の送り速度は、正常時の送り速度を基に算出する。また、通常の加工は正常時の送り速度にて切削加工し、びびり振動検知時には、自動運転安定化システム１により異常時の送り速度に自動で切り替えを行う。また、正常時とは、びびり振動を検知しない場合を示し、異常時とは、びびり振動を検知した場合を示す。

次に、ステップＳ０６では、加工装置指令部２５により、制御パラメータ３６に記憶された正常時の送り速度を含む指令を、加工装置指令部２５により加工装置４のＮＣ装置１２に出力する。

ステップＳ０７では、加工装置４が、ステップＳ０７で出力された指令に含まれる送り速度指令値により、送り速度を変更する。そして、ステップＳ０８では、加工装置４により、変更された送り速度に従って切削加工を行う。つまり、加工装置４は、切削工具５を固定した主軸７を回転させ、また、テーブル９に固定した被削材６を切削工具５と相対的に移動させて加工を開始する。

そして、ステップＳ０９では、測定部１６により、サーボアンプ１１ｂと送り軸モータ１０の間より得られた送り軸モータ電流の取得を開始する。取得した測定信号は記憶部３の測定信号３９に時系列データとして逐次記憶される。電流取得開始は、ＮＣプログラムの情報を監視して特定の文字列の読み込みや主軸７のモータ電流の増加などをトリガとする。また、電流の取得間隔(周期)は、切削工具の回転数の刃数倍の周波数から得られる周期に比べて短くする方が工具の状態が反映され易く好適である。

次に、ステップＳ１０では、異常信号処理部２４により、異常検知プログラム３４を用いて測定信号３９に記憶された測定信号を、予め設定した時間間隔毎にデータを抽出して、ばらつきである標準偏差を算出する。びびり振動検知後は、加工面の加工品質の低下や、切削工具５の刃先のダメージを低減するために、短時間（数秒間）で対応する必要がある。

このため、びびり振動を検知するための特徴量であるばらつきを算出する時間間隔としては、なるべく短い方がよく、１秒間以下が好ましい。また、ばらつきを安定的に算出するには、データ数としては少なくとも１００データ以上が好ましく、例えば１秒間隔で１００データを得るには、電流取得間隔は１０ミリ秒以下に設定するのが好適である。

また、送り軸モータ電流には、被削材６と切削工具５を相対移動する送り速度が反映される。送り軸モータ電流値が低い状態で一定時間経過した場合には、被削材６と切削工具５の相対移動が行われずに切削加工が停止していると判定できる。後述するステップＳ１２で加工状態を判定するためにステップＳ１０では送り軸モータ電流の平均値も算出している。

また、ステップＳ１１では、異常信号処理部２４にて、ステップＳ１０で算出したばらつきと予め設定した異常判定閾値とを比較する。異常判定閾値を超えた場合は、びびり振動が発生したと判定し、ステップＳ１３に進む。異常判定閾値は、前もって取得した既存のびびり振動発生時のデータと、工具破損が発生したデータに基づいて予め設定する。

一方、異常判定閾値を超えない場合は、ステップＳ１２において、異常信号処理部２４により加工状態を判定する。ステップＳ１２では、加工中と判定した場合には、ステップＳ１０に戻って、予め設定した時間間隔毎に送り軸モータ電流データを抽出してばらつきを算出する。このばらつきには、標準偏差が好適であるが、分散など他の指標を用いてもよい。

一方、ステップＳ１２において加工終了と判定した場合には、送り軸モータ電流の取得を停止した後、ステップＳ０２に戻り、次の被削材６が投入されるまで待機する。なお、ステップＳ１２では、ステップＳ１０で算出した送り軸モータ電流の平均値が予め決めたより低い状態が連続する場合に加工終了と判定する。例えば、加工状態判定閾値を５[A]とたした場合、送り軸モータ電流の平均値が５秒間連続して加工状態判定閾値以下となった場合などで加工終了を判定する。

また、ステップＳ１３では、異常信号処理部２４にて、ステップＳ１１で異常判定閾値を超えた場合に、閾値超過回数ｎをカウントする。閾値超過回数ｎの初期値は０（ゼロ）であり、閾値を１回超えた場合は閾値超過回数ｎ＝１となり、その後、閾値を超える毎に閾値超過回数ｎは増加する。なお、ステップＳ１２にて加工終了を判定した場合と、ステップＳ１７で工具異常を判定した場合には、閾値超過回数ｎは０（ゼロ）にリセットする。

また、ステップＳ１４では、異常信号処理部２４にて、閾値超過回数ｎ＝１の場合は、異常時の送り速度信号を出力するステップＳ１５に進む。これにより、びびり振動が発生している場合には、送り速度および主軸７の回転数のうち少なくとも一方を制御することで、びびり振動を抑制することが可能となる。一方、閾値超過回数ｎが１でない場合はステップＳ１７に進む。

ステップＳ１５では、加工装置指令部２５が、記憶部３の制御パラメータ３６に記憶された異常時の送り速度および主軸７の回転数の少なくとも一方を含む変更指令を、加工装置４のＮＣ装置１２に出力する。

ステップＳ１６では、加工装置４がＮＣ装置１２に入力された異常時の送り速度および主軸７の回転数の少なくとも一方を含む変更指令に従って、送り速度および主軸７の回転数の少なくとも一方を変更する。その後、ステップＳ１０に戻る。

ステップＳ１７では、異常信号処理部２４にて、予め決定した工具異常を判定する閾値超過回数ｍとステップＳ１３でカウントした閾値超過回数ｎを比較する。工具異常を判定する閾値超過回数ｍより閾値超過回数ｎが小さい場合は、工具異常なしと判定してステップＳ１０に戻る。一方、閾値超過回数ｎが工具異常を判定する閾値超過回数ｍ以上の場合は、工具異常と判定してステップＳ１８に進む。なお、切削工具５の工具破損が発生した場合には、送り速度および主軸７の回転数の少なくとも一方を制御しても送り軸モータ電流のばらつきが低減されずに閾値超過を繰り返す。このため閾値超過回数ｎの増加を、工具異常を判定する閾値超過回数ｍと比較して判定することで工具破損を検知することが可能となる。

なお、工具異常の判定は、必ずしも工具異常を判定する閾値超過回数ｍ以上と限定するわけではなく、閾値超過回数ｍを超えた場合など、設定した閾値超過回数ｍを基準に判定してもよい。

ただし、工具異常を判定する閾値超過回数ｍが小さすぎる場合、びびり振動が抑制される前に工具異常と誤判定される恐れがある。ステップＳ１１で送り軸モータ電流のばらつきが異常判定閾値を超過してびびり振動発生と判定した後、ステップＳ１６で加工装置４が送り速度および主軸７の回転数の少なくとも一方を変更してびびり振動が抑制されるまでに、数秒間のタイムラグがある。このためこのタイムラグを考慮して工具異常を判定する閾値超過回数ｍを設定する必要がある。

また、ステップＳ１８では、加工装置指令部２５が、記憶部３の制御パラメータ３６に予め記憶された加工装置４の動作を実施する変更指令を、加工装置４のＮＣ装置１２に出力する。このときの指令は、前述したように工具退避や工具交換等である。

ステップＳ１９では、加工装置４が、ＮＣ装置１２に入力された指令に基づき、工具異常検知時の動作をする。工具異常検知時の動作が工具退避の場合には、加工装置４は被削材６の送りを停止した後、切削工具５を被削材６から離し、加工装置４に備えられた被削材を固定する治具などに接触しない安全な位置まで移動させる。

また、加工装置４に切削工具５の自動工具交換装置が備えられている場合には、切削加工に用いている切削工具５と同じものを別に準備しておき、工具異常と判定後に以下の処理を行うことができる。加工装置４は被削材６の送りを停止した後、切削工具５を被削材から離して、自動工具交換装置の別の切削工具と自動交換して、工具異常と判定された切削工具５の続きを加工することが可能である。

この場合は、自動運転安定化装置１７では、切削加工の再稼働に合わせてステップS０９の送り軸サーボモータ電流の取得から再開する。また、閾値超過回数ｎは０（ゼロ）にリセットする。これにより、加工装置４の切削加工プロセスの自動運転と自動運転安定化システム１の稼働が継続される。ただし、既に加工された領域を正確に把握して、交換した切削工具の被削材６への衝突防止など十分に注意する必要がある。

次に、ステップＳ０９～ステップＳ１６で行われるびびり振動検知とびびり振動の抑制処理の詳細を、測定データと演算データの例を用いて説明する。図３は、びびり振動が発生した後、自動でびびり振動を抑制した際の送り軸モータ電流の時系列チャート図の例である。これは、図２に示すステップS０９で記憶部３の測定信号３９に時系列データとして記憶されたものである。厚さ約１００ｍｍ、長さ約３５００ｍｍ、の板状の被削材の側面を複数の切れ刃を有する刃先交換式のフライス工具で切削加工した例である。横軸は加工時間[秒］を示し、縦軸は送り軸モータ電流値（Ａ）である。

図３に示す送り軸モータ電流の信号波形では、加工時間が約５秒から電流値が増大している。これは被削材６を搭載したテーブル９を正常時の送り速度で移動させるのに、サーボアンプ１１ｂから送り軸モータ１０を回転させる制御が働いたためである。また、加工時間約５秒のスパイク状の波形４０は、モータ回転始動時のオーバシュートである。スパイク状の波形４０の後は、送り軸モータ電流波形の上下の幅（以後、振幅と称する）が徐々に拡大し、加工時間が約１５秒以後はほぼ一定となる。

本例の切削工具５はフライス工具のため断、その加工は続切削加工となり、切削抵抗は周期的に変化する。被削材６が進行する送り方向の送り分力も同様の傾向となる。このため、送り軸モータ電流は送り速度を一定に保つために、送り分力に応じて周期的に変化する。スパイク状の波形４０の後、信号波形の振幅が徐々に増加しているのは、切削工具５が被削材６に徐々に侵入して切削工具５の径切込み量が増加し、それに伴い切削抵抗が増加しているためである。加工時間が約１５秒以後は、信号波形の振幅がほぼ一定なのは、切削工具５の径切込み量が一定となって切削抵抗もほぼ一定となったからである。

図３に示す送り軸モータ電流の信号波形では、加工時間が約１３５秒に振幅が大きい波形４１が見られる。これは、びびり振動が発生したことで切削抵抗の変動が大きくなり、送り分力の変動増加に応じて送り軸モータ電流が変化したことを示す。また、振幅が大きい波形４１は１０秒以内に変動が小さくなり、その後、送り軸モータ電流が０[Ａ]近傍に減少するまで、振幅に大きな増加は見られない。これは、びびり振動が１０秒以内に抑制されて、その後、切削加工プロセスの終了までびびり振動が発生していない、もしくは、抑制されていることを示す。

次に、図４は、本実施例において、びびり振動が発生した後、自動でびびり振動を抑制した際の送り軸モータ電流の標準偏差の時系列チャート図の例である。これは図３に示す送り軸モータ電流を１秒間隔で抽出して標準偏差を算出したものである。図４に示す異常判定閾値４３は、前もって取得した既存のびびり振動発生時のデータと、また、工具破損が発生したデータに基づいて予め設定したものである。図４に示す送り軸モータ電流の標準偏差の時系列チャート図では、図３に示す送り軸モータ電流の振幅が大きい波形４１に対応する加工時間約１３５秒の標準偏差の波形４２が突出して大きく、異常判定閾値４３を超過した。これによりびびり振動の発生を検知することが可能である。なお、上述のように、標準偏差はばらつきの一種であり、ばらつきを示す他の指標を用いることも可能である。

また、送り軸モータ電流の振幅の大きさは、送り軸モータ電流の変動であり、ばらつきである。このばらつきを特徴量として閾値と比較することで、びびり振動と工具異常を検知する。このばらつき算出方法に、最大値と最小値の差を用いるとノイズなどにより最大値および最小値が１点だけでも大きく外れた場合に、最大値と最小値の差が大きくなるためびびり振動の発生を誤って検知する恐れがある。これに対して、標準偏差は、より多数のデータを用いて算出することでノイズなどの大きく離れたデータの影響を極力抑えることが可能となる。よって、びびり振動を高精度に検知するための送り軸モータ電流のばらつき算出方法としては、多数のデータにより算出した標準偏差が好ましく、また、データ数としては１００以上が好適である。

図５は、本実施例におけるびびり振動が発生した後、自動でびびり振動を抑制した際の送り速度の時系列チャート図の例である。この送り速度は、加工装置４のＮＣ装置１２から別途取得したデータである。図４で示す送り軸モータ電流の標準偏差が加工時間約１３５秒で閾値を超過してびびり振動を検知したことにより、正常時の送り速度４５から、異常時の送り速度４６に自動で制御した結果である。

また、正常時の送り速度４５と異常時の送り速度４６は、自動運転安定化システム１により被削材情報取得部１８で取得した被削材情報を基に算出したものである。ここでは、びびり振動検知時の送り速度は正常時の送り速度の９０％に設定した。びびり振動の抑制は切削抵抗を下げることが有効であり、送り速度を下げると切削工具の１刃当たりの送り量が小さくなるため切削抵抗が減少する。これにより、びびり振動が抑制される。一方、送り速度を下げると加工能率が低下する。このため、加工能率とびびり振動抑制の両立を考慮して、びびり振動検知時の送り速度は正常時の８０～９５％が好ましい。

図６は、本実施例におけるびびり振動発生前後の送り軸モータ電流の標準偏差の時系列チャート図である。これは、図４に示す範囲４４の加工時間１２０～１５０秒の送り軸モータ電流の標準偏差データを抜き出したものである。マーカ（〇）は１秒間ごとに算出した標準偏差を示す。マーカ４７が異常判定閾値４３を超えたため、びびり振動発生と判定して閾値超過回数ｎが１となり、異常時の送り速度に加工装置４の送り速度を変更した。

ここで、先述したようにびびり振動を検知した後、送り速度を変更して、その後、びびり振動が抑制されるまでにはタイムラグがある。マーカ４７の後、３つのマーカが異常判定閾値４３を超えている。しかし、図２に示すステップＳ１７において、工具異常を判定する閾値超過回数ｍを、ここでは１０に設定したため工具異常と判定せず、その後、びびり振動が抑制されたため、標準偏差は減少している。びびり振動検知からびびり振動抑制までの時間４８は約５秒であった。このデータを取得した被削材６の加工面には、びびり振動起因のツールマークは見られず、また、切削工具５においても刃先の欠け等は見られなかった。

次に、図２に示すステップＳ１２で行われる加工状態判定の処理を、演算データの例を用いて説明する。図７は、本実施例における送り軸モータ電流の平均値の時系列チャート図の例である。これは、図３に示す送り軸モータ電流を１秒間隔で抽出して平均値を算出したものである。また、加工状態判定閾値４９は、前もって取得した既存の加工中と加工停止時のデータを比較して、それぞれの状態を判別できるように決定したものである。送り軸モータ電流の平均値が加工状態判定閾値４９を１回超えた後で、加工状態判定閾値４９より小さくなった状態が連続した場合に加工停止と判定した。ここでは加工状態判定閾値４９より小さくなった状態が連続１０回（１０秒間）を超えた場合に加工終了と判定した。波形５０は加工終了と判定した波形である。

次に、図２に示すステップＳ０９～ステップＳ１４とステップＳ１７～ステップＳ１９で行われる工具異常判定と工具異常検知後の処理を、測定データと演算データの例を用いて説明する。

図８は、本実施例における工具異常を検出して、加工を停止した際の送り軸モータ電流の時系列チャート図の例である。厚さ約１２０ｍｍ、長さ約３０００ｍｍ、の板状の被削材６の側面を複数の切れ刃を有する刃先交換式のフライス工具で切削加工した例である。これは加工中に工具異常と判定し、加工時間４５秒で送りを停止して切削工具５を被削材６から離して安全な位置まで工具を退避させた際の送り軸モータ電流の測定波形である。

図９は、本実施例における工具異常を検出して、加工を停止した際の送り軸モータ電流の標準偏差の時系列チャート図の例であり、また、図１０は、本実施例における工具異常を検出して、加工を停止した際の送り速度の時系列チャート図の例である。また、図９は、図８で示す送り軸モー電流を１秒間ごとに抽出して標準偏差を算出したものである。図中のマーカ（〇）が１秒間ごとに算出した標準偏差を示す。マーカ５１で異常判定閾値４３を超えた。閾値超過回数が１回目のため、図１０に示すように正常時の送り速度５３から異常時の送り速度５４に自動で変更した。なお、被削材６の厚さが異なるため、図５と図１０に示す正常時と異常時の送り速度は異なる。

ここで、図９に示す送り軸モータ電流の標準偏差は、異常時の送り速度に変更した後も異常判定閾値４３を超過し続けた。マーカ５２で、１０回以上に設定した工具異常を判定する閾値超過回数ｍに閾値超過回数ｎが到達したため工具異常発生と判定した。その後、送り速度を０（ｍ／ｍｉｎ）にして、切削工具５を安全な位置に退避した。加工装置４の送り速度を０（ｍ／ｍｉｎ）にするまでにタイムラグがあるため、マーカ５２の後に閾値を超過したマーカが２つ見られるが、その後は送り速度が減少している。退避した切削工具５を確認したところ、切削工具５の刃先に最大約０．３５ｍｍの欠け（チッピング）が見られた。ただし、切削工具５のボディには破損が見られず、刃先のみの交換で再び切削加工に用いることが可能であった。

次に、図２に示すステップS０４で行われる被削材寸法算出の処理を、取得データ用いて説明する。ここで、図１１は、本実施例において、被削材情報取得部１８により取得した被削材６のデータの例である。図１１は、カメラからなる被削材情報取得部１８により、板状の被削材６の側面に対して、斜め上方から取得した画像データである。

ここでは、加工対象部位である側面５６の寸法をこの画像から算出する方法の例を説明する。まず板状の被削材６の辺となるエッジが判別しやすいように、グレースケール化や白黒反転などの処理をする。次に、エッジ検出方法により各エッジを抽出した後、側面の上辺となる直線５９と側面の下辺となる直線５８を選定する。そして、直線５９と直線５８の２直線の距離６１を算出する。なお、画像データにて得られた距離の単位は画像データのピクセル(pixel)である。このため、予め寸法測定して厚さが既知の板材からなる被削材６の情報を被削材情報取得部１８により同じ画角で取得して、画像データにおけるピクセルのｍｍ換算値を算出して設定する。これにより、新たに取得した被削材６の画像データから加工対象部位の側面の寸法(ｍｍ)の算出が可能となる。

なお、画像データの上から２番目の直線５９が板状の被削材６の側面上部の辺であり、最下部の直線５８が側面下部の辺である。重ねた板状の被削材であっても、同じ選定規則で総厚を算出するための側面上部と下部の辺となる直線の選定が可能である。また、画像データに被削材６を固定する治具などの情報が入っている場合には、被削材６以外は空間となるように、画像を切り出してから処理するのが好ましい。更に、その場合には、画像データを取得するタイミングなどを調整して、被削材６以外が空間となる位置が画像データに対してなるべく同じ位置とした方が、切り出し位置が同じとなるため好適である。

次に、図２に示すステップＳ０５で行われる被削材寸法による送り速度の算出処理を、算出規則の例を用いて説明する。図１２は、本実施例における被削材寸法による送り速度の算出処理のための算出規則を示す例である。本図では、横軸は板厚を示し、縦軸は送り速度である。基準とする板厚を１．０に正規化し、それに対応する送り速度も同様に１.０に正規化している。また、横軸の板厚は、板状の被削材６を重ねている場合には総厚となる。

ここで、板厚０．５～２．０までは、板厚１．０を基準にして加工負荷(切削抵抗)が均等になるように、板厚の比率で送り速度を変化させている。ただし、板厚が０．５以下では、板厚の比率で送り速度を設定した場合、送り速度が大きくなり過ぎて、１刃当たりの送り量の増加により切削工具５の刃先の負担が大きくなって破損する恐れがあるため、板厚０．５以下は一定とした。

例えば、板厚１００ｍｍを基準（１．０）とした場合、板厚１２０ｍｍの被削材６の送り速度は、板厚の比により板厚１００ｍｍの約８３％に設定し、板厚７５ｍｍの被削材の送り速度は、板厚の比より板厚１００ｍｍの約１３３％に設定する。これにより、被削材６の厚さが大きい場合には、送り速度を下げて、切削工具にかかる負荷を下げて工具破損などの抑制が図られ、一方、被削材６の厚さが小さい場合には送り速度を上げて、加工能率を向上することができる。

なお、板厚に対して送り速度を比率で設定するのではなく、板厚の範囲を区分けして、区分けした板厚の範囲毎に送り速度を段階的に設定するなどの算出規則としても構わない。また、ここで示したのは正常時の送り速度であり、異常時の送り速度は、先述したように、正常時の送り速度を基に、例えば正常時の送り速度の８０～９５％に設定する。

次に、自動運転安定化システム１の表示部１４に表示する操作画面（ＧＵＩ画面）について、説明する。図１３は、本実施例における自動運転安定化システム１における表示部１４のＧＵＩ(Graphical User Interface)画面を示す図である。表示部１４の画面上において、自動運転安定化システム１の操作と設定した加工条件および動作状態を表すＧＵＩ画面の概要である。ＧＵＩ画面８０１は、自動運転安定化システム１の稼働を開始するための稼働開始ボタン８０２、稼働を終了するための稼働中断ボタン８０３、被削材寸法表示部８０４、正常時送り速度表示部８０５、異常時送り速度表示部８０６、工具異常検知ライト８０７、びびり振動検知ライト８０８を備える。

被削材寸法表示部８０４には、被削材情報取得部１８で取得した情報を用いて算出した被削材６の寸法が表示される。また、正常時送り速度表示部８０５には、被削材６の寸法に応じて算出した正常時の送り速度、異常時送り速度表示部８０６には、異常時の送り速度が表示される。

ここで、図２に示すステップＳ１１において、異常判定閾値の超過によりびびり振動を検知した場合には、びびり振動検知ライト８０８が点灯し、びびり振動が抑制された場合には再び消灯する。また、図２に示すステップＳ１７において、工具異常を判定した場合には、工具異常検知ライト８０７が点灯する。これにより、切削加工プロセスの監視者に対して、工具異常の発生有無を視覚的に伝えることが可能である。

本実施例によれば、不定形な寸法の板状の被削材の切削加工において、取得した送り軸モータ電流により、びびり振動を検知して自動でびびり振動を抑制できる。これにより、従来の加速度センサやマイクロフォンを用いたびびり振動検知装置に比べて、環境要因の外乱の影響なく、精度良くびびり振動を検出できる。更に、工具異常を検知して工具破損の拡大を抑制できるため、切削加工の自動運転の安定化が可能となり、また、加工不良に関わる対策費用の低減や、工具費低減などの効果が得られる。
加えて、自動で被削材の寸法を取得して、寸法に応じた送り速度に設定して切削加工できるため、一定の送り速度で加工する場合に比べて、加工能率の向上や、切削工具にかかる切削抵抗の適正化により工具の破損抑制に貢献できる。また、被削材の寸法に合わせて作業者が送り速度を調整している場合には、作業者の省人化を図ることができる。

なお、測定信号に送り軸モータ電流を用いた例を説明したが、電力値も同様の処理を行えばよい。パラメータの単位が電流値（Ａ）から電力値（Ｗ）に変わり、それ以外は同様である。

また、びびり振動検知後に、送り速度を制御する例を説明したが、切削工具５の回転数（主軸７の回転数）を制御することでもびびり振動の抑制が可能である。その場合、正常時の回転数に対して、びびり振動を検知した際の異常時の回転数は、正常時の回転数の約80～95%に変化させることで、びびり振動の抑制が可能となる。また、びびり振動検知後に送り速度と回転数を同時に制御して、びびり振動を抑制することも可能である。

また、送り速度と主軸７の回転数の制御後に、送り軸モータ電流のばらつきが異常判定閾値を繰り返し超過することにて工具異常を判定することも可能である。

以上で、本実施例の説明を終了するが、本実施例によれば、不定形な寸法の被削材の切削加工を行う加工装置において、送り軸モータ電流のばらつき増加を閾値判定してびびり振動を検出し、加工条件を自動で制御して変化させ、びびり振動を抑制することができる。また、送り軸モータ電流のばらつき増加を再度閾値判定して、閾値を超える回数が、予め決めた回数以上となった場合には、工具異常と判定して工具の破損を検知することができる。これにより、びびり振動と工具の破損拡大を抑制でき、自動運転の安定化を図ることが可能となる。更に、不定形な寸法の被削材の寸法を自動で取得して、被削材の寸法に適した送り速度を自動で設定ができるため、切削加工の高能率化を図ることが可能となる。

１…自動運転安定化システム、２…演算部、３…記憶部、４…加工装置、５…切削工具、６…被削材、７…主軸、８…主軸モータ、９…テーブル、１０…送り軸モータ、１１ａ…サーボアンプ、１１ｂ…サーボアンプ、１２…ＮＣ装置、１３…入力部、１４…表示部、１５…通信部、１６…測定部、１７…自動運転安定化装置、１８…被削材情報取得部、２１…被削材寸法算出部、２２…加工条件算出部、２３…測定信号処理部、２４…異常信号処理部、２５…加工装置指令部、３１…被削材寸法算出プログラム、３２…加工条件算出プログラム、３３…測定信号処理プログラム、３４…異常検知プログラム、３５…加工装置指令プログラム、３６…制御パラメータ、３７…被削材情報、３８…被削材寸法、３９…測定信号、４０…スパイク状の波形、４１…振幅が大きい波形、４２…標準偏差の波形、４３…異常判定閾値、４５…正常時の送り速度、４６…異常時の送り速度、４９…加工状態判定閾値、５３…正常時の送り速度、５４…異常時の送り速度、５６…被削材の側面、６１…直線間の距離、８０１…ＧＵＩ画面、８０２…稼働開始ボタン、８０３…稼働中断ボタン、８０４…被削材寸法表示部、８０５…正常時送り速度表示部、８０６…異常時送り速度表示部、８０７…工具異常検知ライト、８０８…びびり振動検知ライト

Claims (15)

1. 切削工具を主軸に装着し、前記主軸と共に前記切削工具を回転させて、被削材の切削加工を行う加工装置に対して切削加工を制御する指令を出力する自動運転安定化装置において、
   前記被削材の寸法を算出する被削材寸法算出部と、
   前記被削材の寸法に基づいて、前記切削加工における前記被削材の相対移動速度を示す送り速度を算出する加工条件算出部と、
   前記切削加工における前記加工装置の送り軸モータの電流である送り軸モータ電流のばらつきに基づき判定された前記加工装置でのびびり振動の発生に応じて、前記送り速度および前記主軸の回転数のうち少なくとも一方を変更する変更指令を、前記加工装置に出力する加工装置指令部を備える自動運転安定化装置。
2. 請求項１に記載の自動運転安定化装置において、
   さらに、前記送り軸モータ電流を所定の時間間隔ごとに抽出して、前記送り軸モータ電流のばらつきを算出する測定信号処理部を備える自動運転安定化装置。
3. 請求項２に記載の自動運転安定化装置において、
   前記測定信号処理部は、前記送り軸モータ電流のばらつきと予め定められた異常判定閾値を比較し、当該比較の結果に応じてびびり振動を判定する自動運転安定化装置。
4. 請求項３に記載の自動運転安定化装置において、
   さらに、前記変更指令の出力後に、前記送り軸モータ電流のばらつきと前記異常判定閾値の比較結果に応じて、前記加工装置の工具異常を検知する異常信号処理部を有し、
   前記加工装置指令部は、前記工具異常に応じた変更指令を出力する自動運転安定化装置。
5. 請求項４に記載の自動運転安定化装置において、
   前記加工装置指令部は、前記被削材の寸法に基づいた変更指令を出力する自動運転安定化装置。
6. 切削工具を主軸に装着し、前記主軸と共に前記切削工具を回転させて、被削材の切削加工を行う加工装置に対して切削加工を制御する指令を出力する自動運転安定化装置を用いた自動運転安定化方法において、
   被削材寸法算出部により、前記被削材の寸法を算出し、
   加工条件算出部により、前記被削材の寸法に基づいて、前記切削加工における前記被削材の相対移動速度を示す送り速度を算出し、
   加工装置指令部により、前記切削加工における前記加工装置の送り軸モータの電流である送り軸モータ電流のばらつきに基づき判定された前記加工装置でのびびり振動の発生に応じて、前記送り速度および前記主軸の回転数のうち少なくとも一方を変更する変更指令を、前記加工装置に出力する自動運転安定化方法。
7. 請求項６に記載の自動運転安定化方法において、
   さらに、測定信号処理部により、前記送り軸モータ電流の電流を所定の時間間隔ごとに抽出して、前記送り軸モータ電流のばらつきを算出する自動運転安定化方法。
8. 請求項７に記載の自動運転安定化方法において、
   前記測定信号処理部により、前記送り軸モータ電流のばらつきと予め定められた異常判定閾値を比較し、当該比較の結果に応じてびびり振動を判定する自動運転安定化方法。
9. 請求項８に記載の自動運転安定化方法において、
   さらに、異常信号処理部により、前記変更指令の出力後に、前記送り軸モータ電流のばらつきと前記異常判定閾値の比較結果に応じて、前記加工装置の工具異常を検知し、
   前記加工装置指令部により、前記工具異常に応じた変更指令を出力する自動運転安定化方法。
10. 請求項９に記載の自動運転安定化方法において、
    前記加工装置指令部により、前記被削材の寸法に基づいた変更指令を出力する自動運転安定化方法。
11. 切削工具を主軸に装着し、前記主軸と共に前記切削工具を回転させて被削材の切削加工を行う加工装置に対して切削加工を制御する指令を出力する自動運転安定化装置を、
    前記被削材の寸法を算出する被削材寸法算出部と、
    前記被削材の寸法に基づいて、前記切削加工における前記被削材の相対移動速度を示す送り速度を算出する加工条件算出部と、
    前記切削加工における前記加工装置の送り軸モータの電流である送り軸モータ電流のばらつきに基づき判定された前記加工装置でのびびり振動の発生に応じて、前記送り速度および前記主軸の回転数のうち少なくとも一方を変更する変更指令を、前記加工装置に出力する加工装置指令部を備えるコンピュータとして機能させるプログラム。
12. 請求項１１に記載のプログラムにおいて、
    さらに、前記送り軸モータ電流の電流を所定の時間間隔ごとに抽出して、前記送り軸モータ電流のばらつきを算出する測定信号処理部を機能させるプログラム。
13. 請求項１２に記載のプログラムにおいて、
    前記測定信号処理部に、前記送り軸モータ電流のばらつきと予め定められた異常判定閾値を比較し、当該比較の結果に応じてびびり振動を判定させるプログラム。
14. 請求項１３に記載のプログラムにおいて、
    さらに、前記変更指令の出力後に、前記送り軸モータ電流のばらつきと前記異常判定閾値の比較結果に応じて、前記加工装置の工具異常を検知する異常信号処理部を機能させ、
    前記加工装置指令部に、前記工具異常に応じた変更指令を出力させるプログラム。
15. 請求項１４に記載のプログラムにおいて、
    前記加工装置指令部に、前記被削材の寸法に基づいた変更指令を出力させるプログラム。

Images