JP7091984B2 - 補正システム、工作機械及び補正方法 - Google Patents

Description

本発明は、補正システム、工作機械及び補正方法に関する。

工具を用いて、同一仕様の被加工物を、工具の摩耗量を補正して、同一条件で繰り返し加工する工作機械が知られている。このような工作機械は、例えば、特開平８－１３２３３２号公報（特許文献１）に開示されている。

特許文献１には、工具の作用面を検出する位置を少なくとも３回測定して基準位置と測定位置とのずれ量を測定時刻とともに記憶し、ずれ量と測定時刻との関係に基づいて時刻とずれ量との関係を示す曲線の関数を求めた後、曲線の関数と現在時刻とに基づいてずれ量を求めて工具の指令位置を補正するようにした工作機械における位置ずれ補正方法が開示されている。

特開平８－１３２３３２号公報

本発明者は、特許文献１の技術では、求められる工具のずれ量が、補正できる入力値の最低値を下回った場合には、工具の位置を補正しないことに着眼した。この場合でも、工具の摩耗は進行するので、微小のずれ量が累積してしまう。このため、工具の位置のずれが大きくなってしまう。

本発明は、上記問題点に鑑み、工具の位置精度の低下を抑制することを目的とする。

本発明の第１の観点からの補正システムは、工具を用いて、被加工物を加工する工作機械において、工具の位置を補正するシステムであって、補正量を推定する推定部と、推定部で推定される補正量が分解能を下回った後に、少なくとも１回、工具の位置を補正する補正部と、を備える。

本発明の第２の観点からの補正方法は、工具を用いて、被加工物を加工する工作機械において、前記工具の位置を補正する方法であって、補正量を推定する工程と、推定される補正量が分解能を下回った後に、少なくとも１回、工具の位置を補正する工程と、を備える。

本発明は、工具の位置精度の低下を抑制する補正システム、工作機械及び補正方法を提供することができる。

図１は、実施の形態における工作機械の模式図である。 図２は、実施の形態における工作機械の制御構成を示すブロック図である。 図３は、実施の形態における工具の経過時間に対する摩耗量を示す図である。 図４は、比較例における補正システムを説明するための図である。 図５は、実施の形態における補正システムを説明するための図である。 図６は、実施の形態における補正システムを説明するための図である。 図７は、実施の形態における補正システムを説明するための図である。 図８は、実施の形態における平均入力値と摩耗速度との関係を示す図である。 図９は、実施の形態における平均入力値の切り替えを説明するための図である。 図１０は、実施の形態における補正方法を示すフローチャートである。 図１１は、実施例における工具の摩耗量を示す図である。 図１２は、図１３において正常なデータを抽出した図である。 図１３は、実施例における工具の経過時間に対する摩耗量を示す図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照符号を付しその説明は繰り返さない。

図１～図９を参照して、本発明の一実施の形態である補正システム、工作機械及び補正方法について説明する。

（工作機械）
図１に示すように、工作機械１は、工具２を用いて、被加工物５を加工する。本実施の形態の工作機械１は、工具２を用いて、同一仕様の被加工物５を同一条件で繰り返し加工する。これにより、被加工物を同じ形状の加工物に加工することができる。

「同一仕様の被加工物」とは、製造された条件が同一の被加工物である。なお、被加工物の材料は、特に限定されず、金属であってもよく、金属以外の材料であってもよい。「同一条件で繰り返し加工する」とは、複数の被加工物のそれぞれが同じ形状に加工されるために同じ条件で加工されることを意味する。

工作機械１は、工具２と、支持部３と、載置部４と、を備える。工具２は、被加工物５を加工する。加工する方法は、特に限定されず、例えば切削加工などである。支持部３は、工具２を支持する。支持部３は、左右（ｘ軸）方向、前後（ｙ軸）方向、及び上下（ｚ軸）方向に移動可能である。支持部３の移動によって、工具２の位置を移動できる。載置部４は、被加工物５を載置する。なお、支持部３は、載置部４に載置された被加工物５に対して、相対的に移動する。このため、載置部４が左右方向、前後方向及び上下方向に移動可能であってもよい。

工作機械１は、ＮＣ（numerical control）工作機械であり、工作機械１の動作を制御する数値制御装置をさらに備える。制御装置は、被加工物に対する工具２の経路など加工に必要な作業の工程を、対応する数値情報で指令する。

工作機械１の動作を続けると、工具２による被加工物５の加工によって、工具２は摩耗する。また、工作機械１の動作中、工具２が寿命に達したり、破損したりする。このように、同じ形状の加工物に加工できない時には、同一仕様の別の工具２に交換する。「同一仕様の工具」とは、製造された条件が同一の工具である。

（補正システム）
＜補正システムの構成＞
図２に示すように、工作機械１の制御装置は、補正システム１０を備える。補正システム１０は、図１に示す工作機械１において、被加工物５が同じ形状に加工されるために、工具２の摩耗量に応じて工具２の位置を補正するシステムである。

図２に示すように、補正システム１０は、測定部１１と、算出部１２と、記憶部１３と、推定部１４と、補正部１５と、を備える。算出部１２、推定部１４及び補正部１５を含む制御部は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などの演算処理装置により実現される。記憶部１３は、例えば、フラッシュメモリなどの不揮発性記憶装置により実現される。

測定部１１は、工具２の加工開始時点からの経過時間における摩耗量を測定する。測定部１１は、工具の加工面の摩耗量を測定してもよく、加工物の形状を測定することにより工具の摩耗量を求めてもよい。本実施の形態の測定部１１は、例えば、工具２による加工後の加工物を空気マイクロメータで測定して、工具２の摩耗量を求める。

算出部１２は、工具２の加工開始時点からの経過時間に対する摩耗量の複数の測定値に基づいて、工具２の加工開始時点からの摩耗量をＷ、経過時間をｔ、定数をＡ及びα（＜１）としたときに、Ｗ＝Ａｔ^αで表される関係式のＡ及びαを算出する。これにより、工具の摩耗量を表す関係式を決定する。

算出部１２は、Ａ及びαを算出して関係式を決定するために、１つの工具２について少なくとも２以上の測定値を用いる。算出部１２は、加工開始時点からの全ての加工物を測定した測定値を用いてもよく、加工開始時点からの一部の加工物を測定した測定値を用いてもよく、後述する初期段階（図３参照）の加工物を測定した測定値のみを用いてもよい。

１つの工具２についてＡ及びαを算出部１２が算出することによって、１つの関係式を取得できる。算出部１２は、動作中の工具のＡ及びαを算出してもよく、動作中の工具と別の同一仕様の工具のＡ及びαを算出してもよい。同一仕様の工具は、１つの工作機械に取り付けられた工具であってもよく、別の同一仕様の工作機械に取り付けられた工具であってもよい。「同一仕様の工作機械」とは、同一の操作によって同一の加工物を製造する工作機械である。

ここで、関係式について図３を参照して説明する。工具２の加工開始時点からの経過時間ｔに対する摩耗量Ｗは、図３に示すモデルで表現できる。工具の摩耗時期は、加工開始時点からの経過時間に対して、摩耗量がＷ_１以下の初期段階（０＜ｔ≦ｔ_０）、摩耗量がＷ_１を超えてＷ_２以下の定常段階（ｔ_０＜ｔ≦ｔ_１）、及び摩耗量がＷ_２を超える末期段階（ｔ_１＜ｔ）がある。初期段階は、摩耗量変化の大きい状態である。定常段階は、摩耗量変化が小さくなり安定した状態である。末期段階は、急速に摩耗量が大きくなり、寿命に達する状態である。

工具２が寿命に達するまでの初期段階及び定常段階（０＜ｔ≦ｔ_１）においては、Ｗ＝Ａｔ^α（０＜α＜１）の関係式で表される。このため、異なる時間に対する摩耗量の測定値が２以上あると、Ａ及びαを算出できるので、関係式を決定できる。

経過時間ｔは、新たな同一仕様の工具を設置して加工を開始した時点を０として、加工を継続中において経過した時間である。この経過時間ｔは、１つの被加工物５を加工する時間が同じであり、同じペースで連続して加工することを意味する。経過時間ｔは、工具の交換に要する時間などを含まない。このため、経過時間ｔと加工数とは、比例する。つまり、工具２の加工開始時点からの摩耗量をＷ、加工数をｘ、定数をＡ’及びα’（＜１）としたときに、Ｗ＝Ａ’ｘ^α’で表すこともできる。このように、被加工物及び加工条件が同一であれば、工具の摩耗量は経過時間ｔ、つまり、加工数に依存する。

記憶部１３は、算出部１２で推定した関係式を記憶する。本実施の形態の記憶部１３は、複数の同一仕様の工具２のそれぞれについて、算出部１２で取得した関係式を記憶する。つまり、記憶部１３は、同一仕様の工具２について、複数の関係式を記憶する。複数の同一仕様の工具２は、１つの特定の工作機械の工具であってもよく、別の同一仕様の工作機械に取り付けられた工具であってもよい。また、記憶部１３は、１つの特定の工作機械の同一仕様の複数の工具の関係式と、別の同一仕様の工作機械の同一仕様の工具の関係式とを分類して記憶してもよい。

本発明者は、αが１以上の場合はノイズであることを特定した。初期段階ではαが１以上と算出される場合があるが、記憶部１３は、αが１以上の関係式を含まない。このため、記憶部１３にエラーとなる式が記憶されることを防止できる。

推定部１４は、工具２の位置を補正する補正量を推定する。推定部１４は、推定される摩耗量に基づいて、動作中の工具２を支持する支持部３の位置の補正量を算出する。

推定部１４は、単調減少する工具２の摩耗速度の式を取得することが好ましい。本実施の形態の推定部１４は、摩耗速度をｖとしたときに、ｖ＝Ａαｔ^α－１で表される式に基づいて、補正量を推定する。この式は、図４～図７の推定式に相当する。この場合、記憶部１３から同一仕様の工具２の関係式を読み出して、取得した摩耗速度ｖの式に基づいて、動作中の工具２を支持する支持部３の位置の補正量を算出する。本発明者が鋭意研究した結果、上述したように、工具の加工開始時点からの経過時間ｔと、摩耗量Ｗとの関係をＷ＝Ａｔ^αで表すことができることを見出した。工具の摩耗速度は一定ではないが、この関係式から、摩耗速度ｖの式を特定できるので、推定される工具２の補正量の精度を向上できる。

補正部１５は、推定された摩耗量に基づいて、動作中の工具２の位置を補正する。補正部１５は、支持部３に補正指令を送る。

補正部１５は、推定部１４で推定される補正量が分解能を下回った後に、少なくとも１回、工具２の位置を補正する。「分解能を下回る」とは、推定される補正量が、工作機械１の補正できる入力値の最低値を下回って、通常では補正されないことを意味する。「補正する」とは、分解能以上の値を入力することを意味する。

工作機械において分解能を超える精度の補正ができないので、通常、補正量（入力値）を推定値の分解能の整数倍に近似する。図４～図７では、分解能が０．１μｍであり、補正部１５は分解能の整数倍の補正量を入力することが可能である。図４～図７において、横軸は、加工数である。

図４では、推定部１４で推定された摩耗速度の推定式に基づいて、四捨五入で分解能の整数倍の補正量を入力した状態を示す。この場合、１６０個目以降の補正量は０になり、それ以降は補正しない。しかし、実際は、工具の摩耗が進行するので、微小のずれ量が累積してしまう。

本発明者が工具２の位置精度の低下を抑制するために鋭意検討した結果、推定される補正量が、補正できる入力値の最低値を下回った後に、工具２の位置を補正することを見出した。そこで、本実施の形態の補正部１５は、図５に示すように、計算上の入力値が０になっても、少なくとも１回、分解能の０．１μｍの補正量を入力する。このように、推定部１４で推定される補正量が分解能以上では、分解能の整数倍の値を入力するとともに、分解能を下回った後には、断続的に、分解能の値を入力する。このように、推定される補正量が分解能を下回った後に、少なくとも１回、工具２の位置を補正すると、分解能よりも小さな誤差を補正することができる。したがって、工具２の位置精度の低下を抑制することができる。

続いて、補正部１５で補正するタイミングについて説明する。以下、推定部１４で推定される補正量の累積を累積誤差Ｅとし、分解能をＭとする。補正量の累積（累積誤差Ｅ）は、入力によってリセットされた時点以降に、推定される補正量（誤差）の累積である。

例えば、補正部１５は、推定部１４で推定される補正量の累積が分解能に達したときに、工具２の位置を補正してもよい。この場合、補正量の累積が分解能以下（０≦Ｅ≦Ｍ）となるので、工具２の位置精度の低下をより抑制することができる。

また、図６及び図７に示すように、補正部１５は、推定部１４で推定される補正量の累積が分解能の半分に達したときに、工具２の位置を補正してもよい。この場合、補正量の累積が分解能の絶対値の半分以下（|Ｅ|≦Ｍ／２）となるので、工具２の位置精度の低下をより抑制することができる。

また、図８に示すように、補正部１５は、摩耗速度が分解能Ｍの１／ｎになる時刻ｔ_ｎにおいて、平均入力値がＭ／ｎとなるように、工具２の位置を補正してもよい。つまり、時刻ｔ_ｎ近傍では、被加工物ｎ個の加工につき１回の補正をする。この場合、入力間隔の変動を低減できるので、工具２の位置精度の低下を容易に抑制できる。入力間隔の一例を下記の表１に示す。

なお、図８及び表１において、時刻ｔ_２以降（ｔ_２＜ｔ）では、推定部１４で推定される補正量が分解能を下回る。

この場合、補正部１５は、時刻ｔ_ｋの経過後に、つまり平均入力値がＭ／ｋの状態で、時刻ｔでの摩耗速度をｖ（ｔ）としたときに、下記の式１で表される時刻ｓ_ｋにおいて、平均入力値を切り替える。

ただし、上記式１において、ｋは２以上の整数である。この場合、誤差をより低減できるので、工具２の位置精度の低下をより低減できる。

上記式１について、図９を参照して説明する。図９に示すように、時刻ｔ_ｋからｔ_ｋ＋１の、正方向及び負方向の累積誤差は、下記の式２及び式３で表される。

正方向の累積誤差と負方向の累積誤差とを下記の式４のように同じ値にすると、時刻ｔ_ｋからｔ_ｋ＋１の累積誤差値を０にできる。

式２～式４を展開すると、以下の式５及び式６に変形されるので、上記式１が得られる。

なお、式１は、下記の式７に変形することができる。

上記式７の累積摩耗量ｗ（ｔ）は、加工開始時点から推定される摩耗量の累積である。

なお、入力時刻を離散的にしか制御できない場合には、離散最適化により同様の考え方でｓ_ｋを決定する。

＜補正方法＞
続いて、主に図１０を参照して、補正方法について説明する。

まず、測定部１１により、工具２の加工開始時点からの経過時間に対する摩耗量を複数測定する（ステップＳ１）。

次に、算出部１２により、複数の測定値に基づいて、Ｗ＝Ａｔ^αで表される関係式のＡ及びα（＜１）を算出する（ステップＳ２）。これにより、１つの工具についての関係式Ｗ＝Ａｔ^αを取得できる。取得した関係式を記憶部１３に記憶する。

次に、記憶部１３から関係式を読み出して、摩耗速度の式ｖ＝Ａαｔ^α－１を特定する（ステップＳ３）。

次に、推定部１４により、補正量を推定する（ステップＳ４）。上述したように、摩耗速度の式に基づいて、支持部３の位置の補正量を算出する。

次に、補正部１５により、補正量に応じて工具２の位置を補正する（ステップＳ５）。このステップＳ５では、推定部１４で推定される補正量が分解能以上である場合には、通常の補正と同様に行う。推定される補正量が分解能を下回る場合には、上述したように、分解能を下回った後に、少なくとも１回、工具２の位置を補正する。補正部１５は、上述したようなタイミングで、支持部３の位置を変更するように、支持部３の位置決め手段に補正指令を送る。

以上のステップＳ１～Ｓ５を実施することにより、支持部３の位置を補正できるので、摩耗量に応じて工具２の位置を補正できる。

なお、本実施の形態では、Ｗ＝Ａｔ^αで表される関係式を算出して摩耗速度ｖ＝Ａαｔ^α－１で表される式に基づいて、補正量を推定する補正システム及び補正方法について説明した。本発明の補正システム及び補正方法は、関係式を算出する算出部を省略してもよい。つまり、推定部による補正量の推定は、関係式からの推定に限定されない。

本実施例では、工具の加工開始時点からの経過時間ｔと、摩耗量Ｗとの関係式について説明する。

まず、１つの工作機械１において、工具２を用いて、同一仕様の金属の被加工物５を同一条件で繰り返し加工し、摩耗量を測定した。９個の同一仕様の工具について測定したデータを図１１に示す。図１１において、領域Ａでは、工具４に異常が発生した。領域Ｂでは、工作機械１を停止した。

図１１から、領域Ａ及びＢのように、異常が生じた測定点を除いて、正常に動作している測定値を抜き出したものを図１２に示す。

次に、図１２において、各工具を交換した時点を加工開始時点として０に揃え、縦軸を反転したものを図１３に示す。本発明者は、図１３で表すデータを蓄積し、鋭意研究した結果、工具の加工開始時点からの経過時間ｔと摩耗量Ｗとの関係を、Ｗ＝Ａｔ^α（Ａ及びα（＜１）は定数）の関係式で表すことができることを見出した。なお、図１３に示す関係式は、９個の関係式の相乗平均を求めたものである。

以上のように、経過時間と摩耗量との関係の基本となる式を特定するために本発明者が鋭意研究した結果、Ｗ＝Ａｔ^αという関係式を見出した。補正システム、工作機械及び補正方法が、見出した関係式を用いて、工具２の摩耗量を推定する場合、推定される工具の摩耗量の精度を向上できるので、推定される補正量の精度を向上できる。

今回開示された実施の形態及び実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態及び実施例ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ ：工作機械
２ ：工具
３ ：支持部
４ ：載置部
５ ：被加工物
１０ ：補正システム
１１ ：測定部
１２ ：算出部
１３ ：記憶部
１４ ：推定部
１５ ：補正部

Claims (7)

1. 工具を用いて、被加工物を加工する工作機械において、被加工物に対する前記工具の位置を補正するシステムであって、
   補正量を推定する推定部と、
   前記工作機械の補正できる入力値の最低値を分解能とし、前記推定部で推定される補正量が分解能を下回った後に、少なくとも１回、前記工具の位置を補正する補正部と、
   を備え、
   前記補正部は、前記推定部で推定される補正量の累積が分解能の半分に達したときに、前記工具の位置を補正する、補正システム。
2. 前記補正部は、前記推定部で推定される補正量の累積が分解能に達したときに、前記工具の位置を補正する、請求項１に記載の補正システム。
3. 工具を用いて、被加工物を加工する工作機械において、被加工物に対する前記工具の位置を補正するシステムであって、
   補正量を推定する推定部と、
   前記工作機械の補正できる入力値の最低値を分解能とし、前記推定部で推定される補正量が分解能を下回った後に、少なくとも１回、前記工具の位置を補正する補正部と、
   を備え、
   前記補正部は、分解能をＭとしたときに、摩耗速度が分解能Ｍの１／ｎになる時刻ｔ_ｎにおいて、平均入力値がＭ／ｎとなるように、前記工具の位置を補正する、補正システム。
4. 前記補正部は、時刻ｔ_ｋの経過後に、時刻ｔでの摩耗速度をｖ（ｔ）としたときに、下記の式１（ｋは２以上の整数）で表される時刻ｓ_ｋにおいて、平均入力値を切り替える、請求項３に記載の補正システム。
   

   
5. 工具を用いて、被加工物を加工する工作機械において、被加工物に対する前記工具の位置を補正するシステムであって、
   補正量を推定する推定部と、
   前記工作機械の補正できる入力値の最低値を分解能とし、前記推定部で推定される補正量が分解能を下回った後に、少なくとも１回、前記工具の位置を補正する補正部と、
   を備え、
   前記工具の加工開始時点からの経過時間に対する摩耗量の複数の測定値に基づいて、前記工具の加工開始時点からの摩耗量をＷ、経過時間をｔ、定数をＡ及びα（＜１）としたときに、Ｗ＝Ａｔ^αで表される関係式のＡ及びαを算出する算出部をさらに備え、
   前記推定部は、摩耗速度をｖとしたときに、ｖ＝Ａαｔ^α－１で表される式に基づいて、補正量を推定する、補正システム。
6. 請求項１～５のいずれか１項に記載の補正システムと、
   前記被加工物を加工する前記工具と、
   前記被加工物を載置する載置部と、
   を備える、工作機械。
7. 工具を用いて、被加工物を加工する工作機械において、被加工物に対する前記工具の位置を補正する方法であって、
   補正量を推定する工程と、
   前記工作機械の補正できる入力値の最低値を分解能とし、推定される補正量が分解能を下回った後に、少なくとも１回、前記工具の位置を補正する工程と、
   推定された補正量の累積が分解能の半分に達したときに、前記工具の位置を補正する工程と、
   を備える、補正方法。

Images