JP6350481B2 - 工作機械の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、工作機械の制御装置に関する。

従来より、工具に加えられる加工負荷を検出するための応力検出手段と、該応力検出手段による検出結果に基づいて、工具による加工の制御量を制御する制御手段とを備えた工作機械が知られている。

例えば、特許文献１に記載の工作機械は、上記応力検出手段に代えて、加工時にドリルに加えられるトルクを検出するためのトルク検出手段を備え、さらに、該トルク検出手段によって検出される検出トルクに基づいてドリルの送り速度を算出する送り速度算出手段及び送り速度算出手段により算出された送り速度となるようにドリルを前進させる送り機構を制御する送り機構制御手段を含む制御装置を備えたものである。

特開平０７−１９５２５６号公報

ところで、上記工作機械による加工の際には、工具は加工対象としてのワークからの反力を受けるため、該工具には負荷（加工負荷）が加えられる。工具の破損を防止するには、工作機械によるワークの加工の制御量を、工具に一定値以上の加工負荷が加えられないような制御量に制御する必要がある。しかし、該制御量を、上記一定値からのマージンを大きく設定し過ぎると、加工効率が低下してしまうため、加工効率を低下させずにかつ上記一定値以上の加工負荷が工具に加えられない制御量、すなわち、工具の加工品質を維持しつつ加工効率を高める制御量に制御することが望まれている。

特許文献１に記載の工作機械は、加工負荷を検出するためのトルク検出手段として、磁歪式のトルクセンサをドリルの周囲に配置している。磁歪式のトルクセンサは、工具の回転軸の透磁率の変化から工具に加えられるトルクを検出するところ、磁歪式のトルクセンサをドリルの周囲に配置してしまうと、工具からのクーラント液の飛沫の影響や切削屑の飛散の影響によって、回転軸の透磁率の変化を正確に検出することができなくなり、加工時に工具に加えられるトルクを精度良く検出することができなくなる。この結果、上記トルクセンサによって検出されたトルクのみからでは、加工の制御量を適切に制御できないおそれがある。これは、応力検出手段によって加工負荷を検出する場合でも同様に起こり得る。

そこで、応力検出手段を工具の周囲ではなく、工作機械の主軸を回転可能に支持する支持部材に配置して、応力検出手段を加工位置から離すことで、工具からのクーラント液の飛沫の影響や切削屑の飛散の影響を回避することが考えられる。しかし、このように、応力検出手段を支持部材に配置すると、加工時の工具の摩擦熱や該摩擦熱等により熱せられたクーラント液の熱によって、支持部材における応力検出手段の近傍や支持部材に取り付けられた部品が熱変形することで、応力検出手段に作用する押圧が変化して、応力検出手段が、工具に加えられる加工負荷に基づく応力に加えて、支持部材等から応力検出手段に加えられる応力も検出してしまう。つまり、応力検出手段を支持部材に配置したとしても、加工時に工具に加えられる加工負荷を正確に検出できない。すなわち、応力検出手段の配置を換えただけでは、工具によるワークの加工の制御量を、工具の加工品質を維持しつつ加工効率を高める制御量に制御することができない。

本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、応力検出手段を、工作機械の主軸を回転可能に支持する支持部材に関連付けて配置したときに、工具による加工品質を維持しつつ加工効率を高めることができるようにすることにある。

上記課題を解決するために、本発明では、ワークを加工する工具が取り付けられる主軸と、上記主軸を回転可能に支持する支持部材と、上記主軸を取り囲むように上記支持部材に関連付けて配置され、該支持部材を介して作用する応力を検出して、上記ワークの加工時に上記工具に加えられる加工負荷を検出するための複数の応力検出手段と、上記複数の応力検出手段の各検出結果からそれぞれ算出される上記加工負荷である各検出負荷に基づいて、上記工具による上記ワークの加工の制御量を制御する制御手段と、を備えた工作機械の制御装置を対象として、上記支持部材における上記複数の応力検出手段の各近傍部及び該各近傍部にそれぞれ取り付けられる部品のうちの少なくとも一方にそれぞれ設けられ、上記各近傍部及び上記各部品のうちの少なくとも一方の温度をそれぞれ検出する複数の温度検出手段をさらに備え、上記制御手段は、上記複数の応力検出手段の各検出結果からそれぞれ算出される各検出負荷と上記各応力検出手段に対応する上記各温度検出手段によってそれぞれ検出された各検出温度とに基づいて、上記加工の制御量を補正するように構成されている、ものとした。

この構成によると、応力検出手段の検出結果から算出される検出負荷と支持部材における応力検出手段の近傍部及び該近傍部に取り付けられる部品の少なくとも一方の温度に基づいて、加工の制御量が補正されることで、該加工の制御量を、工具による加工品質を維持しつつ加工効率を高める制御量に制御することができる。

すなわち、加工対象としてのワークを工具によって加工した際に、加工時の摩擦熱や該摩擦熱により熱せられたクーラント液の熱によって、支持部材における応力検出手段の近傍部や該近傍部に取り付けられた部品の熱変形することで、応力検出手段が、工具に加えられる加工負荷に基づく応力に加えて、支持部材等から応力検出手段に加えられる応力を検出してしまったとしても、応力検出手段が検出した検出応力に加えて、温度検出手段によって検出された、支持部材における応力検出手段の近傍部又は該近傍部に取り付けられる部品の少なくとも一方の温度に基づいて、加工の制御量（例えば、加工時の送り速度、工具の回転数など）が補正される。これにより、支持部材等の熱変形による影響を考慮した上で、工具による加工の制御量を制御することができ、この結果、工具による加工品質を維持しつつ加工効率を高めることができる。

上記工作機械の制御装置の一実施形態において、上記制御手段は、上記各温度検出手段によって検出された各検出温度に基づいて、上記複数の応力検出手段の各検出結果からそれぞれ算出される各検出負荷をそれぞれ補正して、補正後の各検出負荷に基づき加工の制御量を補正するように構成されている。

この構成によると、応力検出手段が、支持部材等の熱変形等によって応力検出手段に加えられる応力を検出してしまったとしても、温度検出手段によって検出された、支持部材における応力検出手段の近傍部又は該近傍部に取り付けられる部品の少なくとも一方の温度に基づいて、上記応力検出手段の検出応力の検出結果から算出される検出負荷を補正する。これにより、支持部材等の熱変形によって検出される応力の影響を極小化することができ、工具に加えられる加工負荷に基づく負荷を精度良く検出することができる。そして、補正後の検出負荷に基づいて、加工の制御量を精度良く補正することができるため、工具による加工品質を維持しつつ加工効率をより高めることができる。

上記工作機械の制御装置において、上記支持部材は円筒形状であり、上記支持部材には、上記支持部材の軸方向に延びる複数のクーラント油路が、上記支持部材の円周方向に略等間隔で配置されている。

この構成によると、支持部材が円筒形状であり、複数のクーラント油路が上記支持部材の円周方向に略等間隔で配置されることで、各クーラント油路に流れるクーラント液の熱による支持部材の円周方向における温度変化が略均一になる。これにより、支持部材等の熱変形による応力検出手段への影響も支持部材の円周方向で略均一になって、各応力検出手段に作用する、支持部材等の熱変形によって検出される応力も略均一化されるため、検出負荷の補正値の算出が簡略化される。この結果、応力検出手段による工具の加工負荷の検出精度をより向上させることができる。

上記工作機械の制御装置において、上記工具はドリルであり、上記制御手段は、上記検出負荷が予め設定された目標負荷の範囲内となるように、上記ドリルの送り速度を制御するように構成されている、ことが望ましい。

この構成によると、ドリルに加えられる加工負荷に基づく検出負荷が、予め設定された目標負荷の範囲内となるようにドリルの送り速度が制御されるため、ドリルに過大な負荷が加えられない範囲で加工ドリルの送り速度を比較的速い条件に設定することができる。これにより、ドリルの破損を防止しつつ、加工時間の短縮を図ることができる。

上記工作機械の制御装置において、上記複数の応力検出手段を、上記工具による上記ワークの加工により生じる加工屑から保護する保護手段をさらに備えている、ことが望ましい。

すなわち、ワークを加工した際に、加工屑が応力検出手段に付着してしまうと、加工屑が付着した部分だけ検出負荷が高く又は低くなり、工具に加えられる加工負荷を正確に検出できなくなるおそれがある。そこで、応力検出手段を加工屑から保護する保護手段を設けることにより、応力検出手段に加工屑が付着するのを防止することができる。これにより、加工屑等の付着によって、応力検出手段の検出精度が低下するのを防止することができる。

上記一実施形態において、上記制御手段は、上記支持部材における上記複数の応力検出手段の各近傍部及び該各近傍部にそれぞれ取り付けられる部品のうちの少なくとも一方の熱変形による上記各検出負荷への影響を取り除くべく、上記各検出負荷をそれぞれ補正するように構成されている、ことが好ましい。

以上説明したように、本発明の工作機械の制御装置によれば、支持部材における応力検出手段の近傍部又は該近傍部に取り付けられる部品の少なくとも一方の温度を検出する複数の温度検出手段を備え、制御手段は、上記応力検出手段の検出結果から算出される検出負荷と上記温度検出手段によって検出された検出温度とに基づいて、上記加工の制御量を補正するように構成されているため、応力検出手段の検出結果から算出される検出負荷に加えて、温度検出手段によって検出された支持部材における応力検出手段の近傍部又は該近傍部に取り付けられる部品の少なくとも一方の温度に基づいて、加工の制御量を補正することができる。これにより、支持部材等の熱変形による影響を考慮した上で加工の制御量を制御することができ、工具による加工品質を維持しつつ加工効率を高めることができる。

工作室に配置された本発明の実施形態に係る制御装置により制御される工作機械を示す概略図である。 工作機械の概略を示す断面図である。 工作機械を正面から見た図である。 ケーシングの本体部への取付部分を拡大した分解斜視図である。 工作機械の駆動系及び制御系の構成を示すブロック図である。 第１制御を実行したときの応力センサの検出結果から算出される検出負荷とドリルの送り速度との関係を示すグラフである。 第２制御を実行したときの応力センサの検出結果から算出される検出負荷とドリルの送り速度との関係を示すグラフである。 第３制御を実行したときの応力センサの検出結果から算出される検出負荷とドリルの送り速度との関係を示すグラフである。 工作機械によりワークを加工したときの、フランジ部の凹陥部の温度変化と該温度変化の影響により応力センサで検出される検出応力から算出された検出負荷との関係を示すグラフである。 図９における時間が０からｔ１の範囲において、応力センサに加えられる応力を示す概略図である。 図９における時間がｔ１からｔ２の範囲において、応力センサに加えられる応力を示す概略図である。 コントロールユニットによる工作機械の運転時の処理動作を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、工作室に配置された本発明の実施形態に係る制御装置により制御される工作機械１を示す。尚、以下の説明では、説明の便宜上、主軸２の軸方向を前後方向といい、ドリル３側を前側、反ドリル３側を後側という。

この工作機械１は、横型マシニングセンタであって、主軸２の前側端部に取り付けられた工具としてのドリル３を、主軸２とともに回転させて、加工対象としてのワークＷの加工を行うものである。工作機械１の前側にはハウジング１１が配設されており、ハウジング１１内には、ハウジング１１によって閉塞された加工室１２が形成されている。工作機械１の前側の一部は、ハウジング１１の後側の縦壁１１ａを介して加工室１２内に収容されている。尚、ハウジング１１にはユーザーが出入可能な扉（図示せず）が設けられている。また、加工室１２内には主軸２に取り付ける工具を自動で交換するための自動工具交換装置（図示せず）が配置されている。

加工室１２内には、水平移動可能なパレット１３が配設されている。パレット１３は、送り軸モータ（図示せず）に接続されており、ワークＷの加工時には、送り軸モータが駆動されてパレット１３（正確には、パレット１３上のワークＷ）がドリル３に対して送られる。パレット１３上には、治具１４が据え付けられており、ワークＷは治具１４によってチャックされている。工作機械１は、上記ワークＷに対し、主軸２の前側端部に取り付けたドリル３によって中ぐり加工等を行う。このとき、縦壁１１ａは切削屑（加工屑）等が加工室１２から後述する応力センサ７０に飛散するのを防止する役割をしており、本実施形態では、縦壁１１ａが保護手段に相当する。

図１及び図２に示すように、工作機械１は、詳しくは、主軸２と、主軸２の前側端部に取り付けられるドリル３と、主軸２を回転可能に支持する支持部材としてのケーシング４と、主軸２を含めてケーシング４を支持する本体部５とを備えている。

主軸２は、前後方向に延びる略円筒状の部材であり、主軸２の円筒内には前後方向に延びる軸心ロッド２３が挿入されている。主軸２の前側端部は、円筒形状のケーシング４の円筒内に配置された状態で、ケーシング４の前側端面よりも前側に突出するように構成されている。主軸２の前側端部には、軸心ロッド２３を含むチャッキング機構（図示せず）が形成されていて、該チャッキング機構によってドリル３が主軸２に取り付けられる。また、主軸２の後側端部には主軸２を回転させるための主軸モータ２１（図５参照）が配置されている。

ケーシング４は、前後方向に延びる円筒形状の部材であって、円筒内に主軸２を回転可能に支持するものである。ケーシング４の内壁側における前側寄りの位置には、複数（図２では４個）のベアリング４１が配置されており、主軸２は、ベアリング４１を介して、ケーシング４の円筒内で回転する。ケーシング４の後側端部はケーシング４における他の部分よりも拡径したフランジ部６になっている。

また、ケーシング４のフランジ部６内及びケーシング４の壁部内には冷却用のクーラント液が流れるクーラント油路４２が配設されている。詳しくは、クーラント油路４２は、図２に示すように、フランジ部６よりも後側でケーシング４の径方向内側に向かって延びて、該径方向におけるケーシング４の壁部に対応する位置で前側に折れ曲がった後、前側に向かって延びている。クーラント液は、ワークＷの加工時には、クーラント油路４２を通って、ケーシング４の前端部に設けられた噴射口からドリル３に向かって噴射されて、ワークＷの加工部周辺を冷却する。また、クーラント油路４２は、ケーシング４の中心に対して対称かつケーシング４の周方向において略等間隔となるように配置されており、ケーシング４の周方向における温度分布が略均一になるようになっている。

ケーシング４は、図２及び図３に示すように、フランジ部６の部分が複数箇所（本実施形態では６箇所）でプリロードボルト４４によって本体部５に取付固定されることで、本体部５に支持されている。具体的には、図４に示すように、本体部５には本体部側ボルト孔５ａが形成され、フランジ部６には本体部側ボルト孔５ａに対応する位置にフランジ側ボルト孔６ａが形成され、これらのボルト孔５ａ，６ａにプリロードボルト４４の軸部４４ａの端部がそれぞれ挿入される。軸部４４ａの前側端部にはフランジ部６の前側からナット４４ｃが締結され、これによりケーシング４が本体部５に締結されている。このとき、図３に示すように、プリロードボルト４４による締結箇所は周方向に等間隔に複数（本実施形態では６箇所）設けられており、各締結箇所においてフランジ部６がプリロードボルト４４によって本体部５に締結されることで、ケーシング４が本体部５に支持される。

フランジ部６におけるプリロードボルト４４が取り付けられる位置の後側寄りの一部は、図２及び図４に示すように、フランジ部６の外周面から径方向内側に向かって略矩形状に凹陥した凹陥部６ｂとなっている。凹陥部６ｂは、フランジ部６の周方向に略等間隔になるように複数箇所（本実施形態では６箇所）に形成されている。フランジ部６の凹陥部６ｂが形成された位置における前側の残部は壁になっており、図２及び図４に示すように、上記フランジ側ボルト孔６ａは、上記壁の部分に形成され、上記プリロードボルト４４が本体部側及びフランジ側ボルト孔５ａ，６ａに挿入されたときには、軸部４４ａが凹陥部６ｂの中に位置するようになる。

各プリロードボルト４４の軸部４４ａには、図２及び図４に示すように、応力検出手段としての応力センサ７０が１個ずつ（すなわち、全体で６個）嵌め込まれている。各応力センサ７０は、各プリロードボルト４４の軸部４４ａに支持された状態でフランジ部６の各凹陥部６ｂの中に配置されており、図３に示すように、ケーシング４の周方向において略等間隔となるように配置される。詳しくは後述するが、応力センサ７０が、ベアリング４１を介してケーシング４に伝えられる力によって作用される応力を検出することで、ワークＷの加工時に、ドリル３に加えられている加工負荷が算出される。

さらに、図２及び図３に示すように、ケーシング４における各応力センサ７０の近傍部、つまり、ケーシング４のフランジ部６における各凹陥部６ｂには、各凹陥部６ｂの温度を検出する温度検出手段としての温度センサ７１がそれぞれ取り付けられている。尚、本実施形態では、温度センサ７１は、各凹陥部６ｂにそれぞれ取り付けられて、各凹陥部６ｂの温度をそれぞれ検出するようにしているが、温度センサ７１を、上記近傍部である各凹陥部６ａに配置された、各プリロードボルト４４にそれぞれ取り付けて、各プリロードボルト４４の温度をそれぞれ検出するようにしてもよい。また、各応力センサ７０、各凹陥部６ｂ及び各プリロードボルト４４の全てに温度センサ７１を取り付けるようにしてもよい。

具体的に、ケーシング４を本体部５に取り付ける際には、図４に示すように、フランジ部６と本体部５との間に、カラー側ボルト孔５１ａが形成されたカラー５１を、カラー側ボルト孔５１ａが本体部側ボルト孔５ａに対応する位置なるよう位置合わせをして配置する。次に、予め応力センサ７０が嵌め込まれたプリロードボルト４４の軸４４ａの後側端部をカラー側ボルト孔５１ａを介して本体部側ボルト孔５ａに挿入させる。次に、フランジ側ボルト孔６ａが、本体部側ボルト孔５ａに挿入されたプリロードボルト４４の軸部４４ａの前側端部と対応する位置になるようにケーシング４の位置合わせをし、軸部４４ａの前側端部をフランジ側ボルト孔６ａに挿入させるようにケーシング４を移動させ、軸部４４ａの前側端部をフランジ側ボルト孔６ａから前側に向かって突出させる。そして、軸部４４ａの前側端部におけるフランジ側ボルト孔６ａから突出した部分にワッシャー４４ｂを介して、ナット４４ｃを締結させる。これにより、ケーシング４が本体部５に取り付けられる。尚、温度センサ７１は、ケーシング４を本体部５に取り付ける途中で、凹陥部６ｂに取り付けられる。

応力センサ７０は、本実施形態では、既知の水晶圧電素子をリング状に加工したものであって、水晶圧電素子に作用する応力を、該水晶圧電素子の電荷の変化から検出する。ドリル３によってワークＷを加工する際には、応力センサ７０が、ドリル３から、主軸２及びベアリング４１を介してケーシング４に伝えられる力（主軸方向のスラスト力及びケーシング４に作用する曲げ応力など）によって水晶圧電素子に作用する応力を検出して、該検出応力を後述するコントロールユニット１００に入力することで、該コントロールユニット１００によって、ドリル３に加えられている加工負荷が算出される。尚、加工負荷とは、例えば、トルクや曲げ応力等のことをいう。

温度センサ７１は、本実施形態では熱電対である。各温度センサ７１は、各凹陥部６ｂの温度をそれぞれ検出し、検出した検出温度を後述するコントロールユニット１００に出力する。

図５に、工作機械１の駆動系及び制御系の構成を示すブロック図を示す。

本実施形態では、応力センサ７０で検出された検出応力及び温度センサ７１によって検出された検出温度に基づいて、コントロールユニット１００が、ワークＷの加工時にドリル３に加えられている加工負荷を算出して、ドリル３によるワークＷの加工の制御量（例えば、ドリル３の送り速度）を上記加工負荷に応じた条件に制御する。本実施形態では、コントロールユニット１００が制御手段に相当する。

コントロールユニット１００は、周知のマイクロコンピュータをベースとするコントローラであって、プログラムを実行する中央演算処理装置（ＣＰＵ）と、例えばＲＡＭやＲＯＭにより構成されてプログラム及びデータを格納するメモリと、電気信号を入出力する入出力（Ｉ／Ｏ）バスとを備えている。

応力センサ７０は、検出応力を表す電気信号をコントロールユニット１００に入力する。具体的には、検出応力を表す電気信号は、応力センサ７０から増幅器８１に入力されて、増幅機８１で増幅された後、ＡＤ変換器８２によってデジタル信号に変換されて、コントロールユニット１００に入力される。

温度センサ７１で検出された検出温度を表す電気信号は、ＡＤ変換機８３によってデジタル信号に変換された後、コントロールユニット１００に入力される。

コントロールユニット１００は、検出応力及び検出温度に関する電気信号に基づいて、ワークＷの加工時にドリル３に加えられている加工負荷を算出して、該算出結果に基づいてドリル３によるワークＷの加工の制御量を決定して、該加工の制御量に基づく駆動信号を、増幅器８４を介して主軸モータ２１に送信するとともに、パレット１３の送り軸モータに送信して、ドリル３に対してワークＷを移動させて、ドリル３の加工の制御量としての送り速度を制御する。

次に、図６〜８を参照しながら、コントロールユニット１００によって実行される制御について説明する。尚、以下の説明において、応力センサ７０の検出応力から算出された加工負荷のことを検出負荷という。

図６は、コントロールユニット１００で実行される制御の一例である第１制御を表すものである。第１制御は、比較的長い孔を開けるときなど、長時間の加工を行うときに主に実行される制御である。

第１制御は、ドリル３による加工の際に、各応力センサ７０で検出された検出応力から算出される検出負荷（正確には、後述する補正後の検出負荷）が予め設定された目標負荷の範囲内になるように、ドリル３の送り速度を随時制御する制御である。目標負荷は、図６に破線で示すように、特定の値ではなく、ある程度の範囲を有するように設定されるものであって、ドリル３による加工品質を維持できる最も高効率な範囲に設定される。尚、目標負荷は、一定の範囲で設定されていたり工具毎に異なる範囲で設定されていたりしてもよく、また、ユーザーが工作機械１を用いる度に任意の範囲に設定されていてもよい。

図６を参照すると、コントロールユニット１００は、まず、主軸モータ２１を駆動するとともに、パレット１３の送り軸モータを駆動して、図６に細線で示すように、ドリル３の送り速度を上昇させながら、ワークＷを加工するように制御する。このとき、ドリル３の送り速度が上昇するとともに、ワークＷからドリル３に加えられる加工負荷が増加するため、図６に太線で示すように、コントロールユニット１００によって算出される検出負荷も増加する。検出負荷が目標負荷の範囲内になると、コントロールユニット１００は、ドリル３の送り速度を検出負荷が目標負荷の範囲内になったときの送り速度に固定させて、加工を続ける。

その後、例えば、ドリル３で加工している孔に加工屑が溜まるなどすると、ドリル３に加えられる加工負荷が増加するため、検出負荷が増加する。そして、検出負荷が目標負荷を上回るときには、コントロールユニット１００は、検出負荷が目標負荷の範囲内になるまで、ドリル３の送り速度を漸減（予め設定された速度ずつ減少させる）するように変化させる。検出負荷が目標負荷の範囲内になると、コントロールユニット１００は、ドリル３の送り速度を検出負荷が目標負荷の範囲内になったときの送り速度に固定させて加工を続ける。

その後、例えば、上述の漸減制御によって検出負荷が目標負荷を下回るときには、コントロールユニット１００は、検出負荷が目標負荷の範囲内になるまで、ドリル３の送り速度を漸増（予め設定された速度ずつ増加させる）するように変化させる。検出負荷が目標負荷の範囲内になると、コントロールユニット１００は、ドリル３の送り速度を検出負荷が目標負荷の範囲内になったときの送り速度に固定させて加工を続ける。以下、この繰り返しによりドリル３の加工負荷が目標負荷の範囲内に制御される。尚、漸減時の減少の割合や漸増時の増加の割合はユーザーが任意に設定することができるようにしてもよい。

この第１制御によると、ワークＷの加工時に、ドリル３に加えられる加工負荷を目標負荷の範囲内に制御しつつ、ドリル３に加えられる加工負荷が目標負荷の範囲内になる最速の送り速度でワークＷを加工することができるため、ドリル３の加工品質を維持しつつ、ワークＷの加工時間の短縮を図ることができる。

図７は、コントロールユニット１００で実行される制御の一例である第２制御を表すものである。第２制御は、比較的短い孔を複数個開けるなど、短時間の加工を複数回行うときに主に実行される制御である。

第２制御は、前回の加工時にコントロールユニット１００によって算出された検出負荷（正確には、後述する補正後の検出負荷）の平均値（以下、平均検出負荷という）から、該平均検出負荷が目標負荷の範囲内になるようにするためのドリルの送り速度補正値を算出し、次回の加工時には、上記送り速度補正値でもって補正した送り速度によって加工を行うように制御するものである。

図７には、例として、ドリル３によって２個の孔を開ける場合を示している。図７を参照すると、コントロールユニット１００は、まず、１つめの孔を開けるために主軸モータ２１を駆動するとともに、パレット１３の送り軸モータを駆動して、図７に細線で示すように、ドリル３の送り速度を所定速度まで上昇させた後、加工終了まで一定の送り速度で加工を行うよう制御する。このとき、コントロールユニット１００は、図７に太線で示すように、ドリル３に加えられる加工負荷を応力センサ７０によって検出された検出応力から算出して、図７に一点鎖線で示すように、平均検出負荷を算出する。

そして、例えば、図７に示すように、算出された平均検出負荷が目標負荷を下回っているときには、コントロールユニット１００は、上記平均検出負荷を目標負荷の範囲内にするための送り速度補正値を算出して、２つめの孔を開ける際には、図７に示すように、ドリル３の送り速度を上記送り速度補正値でもって補正して、該送り速度を上昇させて加工を行うように制御する。これにより、図７に示すように、２つめの孔を開けた時の平均検出負荷は、目標負荷の範囲内となる。

上記２つめの孔を開けた後も、上記補正された送り速度で加工を行ったとき（例えば、３つめの孔を開けたとき）に、平均検出負荷が目標負荷を上回ったり、逆に平均検出負荷が再び目標負荷を下回ったりしたときには、再度、平均検出負荷を目標負荷の範囲内にするための送り速度補正値を算出して、その次の加工時（例えば、４つめの孔を開けるとき）には、該送り速度補正値でもって補正した送り速度によって加工を行うように制御する。以下、この繰り返しにより、ドリル３の加工負荷が目標負荷の範囲内に制御される。

この第２制御でも、ワークＷの加工時に、ドリル３に加えられる加工負荷を目標負荷の範囲内に制御しつつ、ドリル３に加えられる加工負荷が目標負荷の範囲内になる最速の送り速度でワークＷを加工することができるため、ドリル３の加工品質を維持しつつ、ワークＷの加工時間の短縮を図ることができる。尚、上述の第２制御の説明では、１回の加工毎に平均検出負荷を算出して、次回の加工時の送り速度を補正しているが、２回以上の所定回数の加工毎に所定回数分の加工の平均検出負荷を算出して、該平均検出負荷に応じた送り速度補正値を算出して、次回の所定回数分の加工を上記送り速度補正値で補正した送り速度で行うようにしてもよい。

図８は、コントロールユニット１００で実行される制御の一例である第３制御を表すものである。第３制御は、工具の破損を防止するために実行される制御である。

第３制御は、ドリル３によってワークＷを加工する際に、コントロールユニット１００によって算出された検出負荷（正確には、後述する補正後の検出負荷）が所定の上限負荷に到達したときに、ドリル３による加工を停止させる制御である。上限負荷は、目標負荷よりも高くかつドリル３等の工具が破損しない程度の負荷である。尚、上限負荷は、一定の値で設定されていたり工具毎に異なる値で設定されていたりしてもよく、また、ユーザーが工作機械１を用いる度に任意の値に設定されていてもよい。

図８を参照すると、コントロールユニット１００は、まず、上記第１制御や上記第２制御等を実行して、主軸モータ２１を駆動するとともに、パレット１３の送り軸モータを駆動して、図８に示すように、検出負荷が目標負荷の範囲内に到達するまで、ドリル３の送り速度を上昇させて、目標負荷に到達後は、ドリル３の送り速度を到達時の送り速度に固定するように制御を行う。

そして、上記送り速度でワークＷを加工している際に、例えば、ドリル３で加工している孔に切削屑が溜まるなどして、ドリル３に過大な負荷が加えられてしまい、検出負荷が、図８に２点鎖線で示す上限負荷に到達したときには、コントロールユニット１００は、ドリル３が破損するおそれがあると判断して、主軸モータ２１及びパレッド１３の送り軸モータの駆動を停止させて、ドリル３による加工を停止させる。

この第３制御によると、上記第１制御や上記第２制御によって、ワークＷの加工時間の短縮を図りつつ、ドリル３に過大な負荷が加えられたときには、ドリル３による加工を停止させることでドリル３の破損を防止することができる。

ここで、特に、ケーシング４や本体部５において、クーラント液が流れるクーラント油路４２が配設されている部分は、ドリル３の摩擦熱等によって熱せられたクーラント液の熱が伝わりやすく、該クーラント液の熱の影響によって変形しやすい。ケーシング４や本体部５が熱変形すると、フランジ部６の凹陥部６ｂに配置された応力センサ７０が、本体部５やケーシング４のフランジ部６、さらには応力センサ７０を支持するプリロードボルト４４から応力を受けてしまい、応力センサ７０がドリル３の加工負荷に基づく応力以外の応力まで検出するため、応力センサ７０による検出精度が低下してしまう。

この熱の影響について、図９〜図１１を参照して詳しく説明する。

図９に示すグラフのうち図９で上段のグラフは時間に対するフランジ部６における凹陥部６ｂの温度変化を示すグラフであり、図９で下段のグラフは時間に対する検出負荷の変化を示すグラフである。上段及び下段のグラフにおいて横軸は時間を示す軸であって、ワークＷを加工する直前を０としている。温度変化のグラフは、温度センサ７１によって検出された温度に基づいて算出された凹陥部６ｂの温度変化であって、ワークＷを加工する直前の凹陥部６ｂの温度を０としたときの温度変化である。検出負荷のグラフは、ドリル３に加工負荷が加えられていない状態での検出負荷を示すものである。検出負荷のグラフのうち、実線は各応力センサ７０によって実際に検出された検出応力に基づいて算出された検出負荷であり、破線はシミュレーションによって実測の検出負荷の変化を再現したものであり、一点鎖線は実測の検出負荷に対して後述する補正を行ったものである。

図９を参照すると、凹陥部６ａの温度は、時間が０からｔ１までの範囲及びｔ１からｔ２（＞ｔ１）までの範囲では上昇し、時間がｔ２以上の範囲では略一定になる。このとき実際の検出応力から算出された検出負荷は、時間が０からｔ１までの範囲では０から上昇し、時間がｔ１からｔ２（＞ｔ１）までの範囲では上昇した値から下降して０よりも小さくなり、時間がｔ２以上の範囲では０よりも小さい値のまま一定の値を示す。

この検出負荷の変化の過程で、応力センサ７０に作用している応力について具体的に説明する。時間が０からｔ１までの範囲では、図１０に示すように、本体部５やフランジ部６がクーラント液の熱によって熱変形することで、それらに挟まれた応力センサ７０が、本体部５やフランジ部６によって押圧される。これにより、応力センサ７０は圧縮応力を受けるため、図９の０からｔ１までの範囲に示すように、このときの検出応力から算出される検出負荷は０から上昇する。そして、時間がｔ１からｔ２（＞ｔ１）までの範囲では、クーラント液の熱がプリロードボルト４４にも伝わり、プリロードボルト４４が熱の影響により変形する。このとき、応力センサ７０は、図１１に示すように、プリロードボルト４４によって前後方向の軸力（プリロード力）が低下する。これにより、応力センサ７０は、図９のｔ１からｔ２までの範囲に示すように、このときの検出応力から算出される検出負荷は減少する。時間がｔ２以上の範囲では、温度が略一定になることで、応力センサ７０がプリロードボルト４４から受ける応力も一定になるため、このときの検出応力から算出される検出負荷は０より小さい値のまま略一定になる。

このように、応力センサ７０が、フランジ部６における応力センサ７０の近傍やケーシング４に取り付けられるプリロードボルト４４等の部品の熱変形によって、ドリル３の加工負荷に基づく応力以外の応力を検出してしまうと、ワークＷの加工時にドリル３に加えられている実際の加工負荷を正確に算出することができなくなる。この結果、各応力センサ７０で検出された検出応力に基づく各検出負荷のみに基づく補正では、加工の制御量を正確に補正することができず、ドリル３によるワークＷの加工の制御量を、ドリル３の加工品質を維持しつつ加工効率を高めるような、適切な制御量に制御できなくなる。

そこで、本実施形態では、ケーシング４のフランジ部６における各凹陥部６ｂの温度を各温度センサ７１で検出して、各応力センサ７０で検出された検出応力に基づく各検出負荷と温度センサ７１で検出された検出温度とに基づいて、加工の制御量を補正するようにしている。

詳しくは、コントロールユニット１００は、各応力センサ７０で検出された検出応力に基づく各検出負荷を、温度センサ７１で検出された検出温度に応じてそれぞれ補正することで、フランジ部６における各応力センサ７０の近傍やプリロードボルト４４の熱変形の影響をそれぞれ取り除き、補正後の検出負荷に基づいて加工の制御量を補正する。

具体的な補正の内容について説明すると、図９の下段のグラフに破線で示すような実測の検出負荷を再現したものをシミュレーション等で予め計算しておき、これを温度変化に対する検出負荷の変化に直したものを予めコンロトールユニット１００に検出負荷補正算出式又は検出負荷補正マップとして記憶させておく。そして、ドリル３によってワークＷの加工を行う際には、上記検出負荷補正算出式又は検出負荷補正マップから、各検出温度に応じた検出負荷の補正値をそれぞれ算出または読み取って、各補正値を用いて各検出負荷をそれぞれ補正する。この補正を行うことで、図９の検出負荷のグラフに一点鎖線で示すように、検出負荷の零点が補正され、各検出負荷からフランジ部６における各応力センサ７０の近傍等の熱変形の影響を減少させることができる。尚、図９の下段のグラフの、シミュレーションによって再現された負荷の線における、時間が０からｔ１までの範囲は、実測の検出負荷の線と重なっているため見えていないが、シミュレーションによって再現された負荷の線は、時間が０からｔ１までの範囲において、実測の検出負荷と同様に０から上昇する変化を示す。

尚、検出負荷補正マップに設定されていない温度変化における補正値は、検出負荷補正マップに設定された補正値から内挿又は外挿することによって算出されるようにしてもよい。

このとき、各応力センサ７０が配置されている位置毎に温度変化が異なるため、コントロールユニット１００は、各応力センサ７０で検出された検出応力に基づく検出負荷毎に補正値を算出して、各補正値によって各検出負荷をそれぞれ補正する。

次に、図１２のフローチャートに従って、コントロールユニット１００による工作機械１の加工の制御量の制御動作について説明する。尚、図１２のフローチャートは、検出負荷補正マップを用いて、検出負荷を補正する場合のフローチャートであり、以下の説明は、検出負荷補正マップを用いた場合のコントロールユニット１００の制御動作である。また、加工の制御量は、例として、ドリル３の送り速度としている。

まず、ステップＳ１で、ドリル３に実際に加えられる加工負荷のみに基づく検出負荷を算出するために必要なデータとして、各応力センサ７０による検出応力から補正前の検出負荷をそれぞれ算出するとともに、フランジ部６における各凹陥部６ｂの温度をそれぞれ検出する。

続いて、ステップＳ２で、コントローラ１００に予め記憶されている検出負荷補正マップを読み出し、各検出温度に応じた補正前の各検出負荷に対する補正値をそれぞれ読み取る。

次のステップＳ３で、補正前の各検出負荷をステップＳ２で読み取った各補正値によってそれぞれ補正する。これにより、検出負荷の零点が補正され、補正後の各検出負荷は、実際にドリル３に加えられている加工負荷のみに基づく検出負荷を表すものとなる。

次のステップＳ４では、ステップＳ３で補正された後の検出負荷が上限負荷以上であるか否かについて判定する。このステップＳ４の判定がＹＥＳであるときには、ステップＳ５に進み、コントロールユニット１００は、ドリル３が破損するおそれがあると判断して、上述の第３制御を実行して、ドリル３による加工を停止させ、しかる後にリターンする。一方、ステップＳ４の判定がＮＯであるときには、ステップＳ６に進む。

ステップＳ６では、補正後の検出負荷が目標負荷の範囲内であるか否かについて判定する。このステップＳ６の判定がＹＥＳであるときには、現在の送り速度で加工を継続させ、しかる後にリターンする。一方、このステップＳ６の判定がＮＯであるときには、ステップＳ７に進む。

次のステップＳ７ではドリル３の送り速度を変更させる。例えば、コントロールユニット１００が上述の第１制御を実行中の場合は、補正後の検出負荷が目標負荷を上回っているときにはドリル３の送り速度を漸減させる一方、補正後の検出負荷が目標負荷を下回っているときにはドリル３の送り速度を漸増させる。また、例えば、コントロールユニット１００が上述の第２制御を実行中の場合は、前回の加工時の平均検出負荷から、該平均検出負荷を目標負荷の範囲内にするための送り速度補正値を算出し、該送り速度補正値によってドリル３の送り速度を補正する。ステップＳ７の後は、しかる後にリターンする。

コントロールユニット１００は、所定時間（例えば８ミリ秒）毎に上記フローに従ってドリル３の送り速度を制御する。これにより、ドリル３の加工品質を維持しつつ、加工時間の短縮を図ることができる。尚、検出負荷補正算出式を用いて検出負荷の補正を行う場合は、上記ステップＳ２において、検出負荷補正算出式を読み出して、該算出式に基づいて検出負荷に対する補正値を算出し、次のステップＳ３で、算出した補正値に基づいて補正前の検出負荷を補正する。

したがって、本実施形態に係る工作機械１の制御装置は、ケーシング４のフランジ部６における凹陥部６ｂの温度を検出する複数の温度センサ７１を備え、コントロールユニット１００は、応力センサ７０によって検出された検出応力から算出された検出負荷と温度センサ７１よって検出された検出温度とに基づいて、加工の制御量を補正するように構成されているため、凹陥部６ｂの検出温度に基づいて、上記検出負荷のうちフランジ部６等の熱変形による応力の影響を極小化するように、各応力センサ７０によって検出された検出応力から算出される各検出負荷をそれぞれ補正して、フランジ部６等の熱変形による影響を極小化して、ドリル３の加工負荷に基づく負荷を精度良く検出することができる。そして、補正後の検出負荷に基づいて、加工の制御量を精度良く補正することができる。この結果、応力センサ７０をケーシング４に配置したとき、工具による加工品質を維持しつつ加工効率を高めることができる。

本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、請求の範囲の主旨を逸脱しない範囲で代用が可能である。

例えば、上記実施形態では、温度センサ７１よって検出された検出温度に基づいて、応力センサ７０によって検出された検出応力から算出された検出負荷の零点を補正して、補正後の各検出負荷に基づいて、ドリル３による加工の制御量を制御するようにしているが、これに限らず、温度センサ７１よって検出された検出温度と補正前の検出負荷とに基づいて、ドリル３による加工の制御量を補正するように構成してもよい。この場合、例えば、検出温度と補正前の検出負荷から、加工の制御量に対する補正量を算出するための算出式や該補正量を読み取るためのマップを、コントロールユニット１００に格納しておき、上記算出式やマップから補正量を算出又は読み出し、加工の制御量を補正するようにすればよい。

また、上記実施形態では、工具はドリル３であるが、これに限らず、フライスやリーマなどであってもよい。この場合、コントロールユニット１００で制御される加工の制御量は、工具の回転速度や移動速度等である。

また、上記実施形態では、パレット１３の送り軸モータを駆動制御して工具の送り速度を制御しているが、これに限らず、主軸２を備える本体部５を移動させての工具の送り速度を制御するようにしてもよい。

さらに、上記実施形態では、ケーシング４は円筒形状としているが、これに限らず、角筒形状であってもよい。

また、上記実施形態では、応力センサ７０は、ケーシング４における本体部５への取り付け部分であるフランジ部６の凹陥部６ｂに配置されているが、これに限らず、ハウジング１１の縦壁１１ａよりも後側の位置であれば、ケーシング４における本体部５への取り付け位置よりも前側の位置に配置されていてもよく、例えばケーシングを主軸２の軸方向に２分割し、この２分割ケーシングの取付フランジ部に応力センサを配置するようにしてもよい。

上述の実施形態は単なる例示に過ぎず、本発明の範囲を限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は請求の範囲によって定義され、請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。

本発明は、ワークの加工時に工具に加えられる加工負荷を検出するための応力検出手段を有する工作機械に有用である。

１ 工作機械
２ 主軸
３ ドリル（工具）
４ ケーシング（支持部材）
６ａ 凹陥部（支持部材における応力検出手段の近傍部）
１１ａ 縦壁（保護手段）
４２ クーラント油路
４４ プリロードボルト（近傍部に取り付けられる部品）
７０ 応力センサ（応力検出手段）
７１ 温度センサ（温度検出手段）
１００ コントロールユニット（制御手段）

Claims (6)

1. ワークを加工する工具が取り付けられる主軸と、
   上記主軸を回転可能に支持する支持部材と、
   上記主軸を取り囲むように上記支持部材に関連付けて配置され、該支持部材を介して作用する応力を検出して、上記ワークの加工時に上記工具に加えられる加工負荷を検出するための複数の応力検出手段と、
   上記複数の応力検出手段の各検出結果からそれぞれ算出される上記加工負荷である各検出負荷に基づいて、上記工具による上記ワークの加工の制御量を制御する制御手段と、を備えた工作機械の制御装置であって、
   上記支持部材における上記複数の応力検出手段の各近傍部及び該各近傍部にそれぞれ取り付けられる部品のうちの少なくとも一方にそれぞれ設けられ、上記各近傍部及び上記各部品のうちの少なくとも一方の温度をそれぞれ検出する複数の温度検出手段をさらに備え、
   上記制御手段は、上記複数の応力検出手段の各検出結果からそれぞれ算出される各検出負荷と上記各応力検出手段に対応する上記各温度検出手段によってそれぞれ検出された各検出温度とに基づいて、上記加工の制御量を補正するように構成されている
   ことを特徴とする工作機械の制御装置。
2. 請求項１に記載の工作機械の制御装置において、
   上記制御手段は、上記各温度検出手段によって検出された各検出温度に基づいて、上記複数の応力検出手段の各検出結果からそれぞれ算出される各検出負荷をそれぞれ補正して、補正後の各検出負荷に基づき加工の制御量を補正するように構成されている
   ことを特徴とする工作機械の制御装置。
3. 請求項１又は２に記載の工作機械の制御装置において、
   上記支持部材は円筒形状であり、
   上記支持部材には、上記支持部材の軸方向に延びる複数のクーラント油路が、上記支持部材の円周方向に略等間隔で配置されている
   ことを特徴とする工作機械の制御装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１つに記載の工作機械の制御装置において、
   上記工具はドリルであり、
   上記制御手段は、上記検出負荷が予め設定された目標負荷の範囲内となるように、上記加工の制御量である上記ドリルの送り速度を制御するように構成されている
   ことを特徴とする工作機械の制御装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１つに記載の工作機械の制御装置において、
   上記複数の応力検出手段を、上記工具による上記ワークの加工により生じる加工屑から保護する保護手段をさらに備えている
   ことを特徴とする工作機械の制御装置。
6. 請求項２に記載の工作機械の制御装置において、
   上記制御手段は、上記支持部材における上記複数の応力検出手段の各近傍部及び該各近傍部にそれぞれ取り付けられる部品のうちの少なくとも一方の熱変形による上記各検出負荷への影響を取り除くべく、上記各検出負荷をそれぞれ補正するように構成されている
   ことを特徴とする工作機械の制御装置。

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