JP4568880B2 - Ｎｃ工作機械の加工制御システム - Google Patents

Description

本発明は、予め数値指定された送り経路に沿ってエンドミルを送り移動させて被加工物を所定形状に加工するＮＣ工作機械において、エンドミルの摩耗及び損傷を低減しつつ、高能率での加工を可能とするＮＣ工作機械の加工制御システムに関する。

エンドミルを工具とするＮＣ（Numerical Control ）工作機械は、各種の工業製品の外形加工に広く用いられている。この加工は、ＣＡＤ（Computer Aided Design)システムによる形状設計の結果として与えられる加工形状に応じて、使用する工具、加工手順、夫々の手順における作業内容を定める工程設計をまず行い、次いで、この工程設計の結果に従って工具の送り経路を、経路上の各部での送り速度を含めて設定するＮＣプログラムを作成して、このＮＣプログラムにに従ってＮＣ工作機械に加工動作を行わせる手順により実行される。

本願出願人は、以上の如きＮＣ工作機械によるエンドミル加工の知能化を図ることを目的とし、エンドミルの摩耗及び損傷を低減しながら、加工能率の可及的な向上を達成し得るＮＣプログラムの作成方法を提案している（特許文献１、２参照）。

この方法は、工程設計の結果を予め定めた複数種の固定サイクルの組み合わせに置き換え、夫々の固定サイクル内にて仮定された送り経路上にてエンドミルに加わる切削抵抗を、切削状態を表す数学モデル（加工プロセスモデル）を用いて予測演算し、演算された予測値が適正値に収束する送り経路を夫々の送り速度を含めて決定する方法である。この方法によれば、加工領域の全般に亘って最適な送り経路及び送り速度の設定がなされたＮＣプログラムを、オペレータの経験に頼ることなく作成することができ、このＮＣプログラムに従ってＮＣ工作機械に加工動作を行わせることにより、エンドミルの損傷、摩耗を低減して長寿命化を図りながら、高い加工能率と高い加工精度とを併せて達成することができる。

更に本願出願人は、特願２００４−３０７３９７において、前述した工程設計に必要となる固定サイクルの選定及び組み合わせを、総合的な加工コストを最適化すべく決定する工程設計方法を提案しており、この工程設計方法を前述したＮＣプログラムの作成方法と併せて実行する工程設計装置、及び作成されたＮＣプログラムに従ってＮＣ工作機械に加工動作を行わせるサーボ制御装置を含めた加工制御システムを備えることにより、与えられた加工形状に従って最適な条件下にてエンドミル加工を実施する知能化されたＮＣ工作機械を提供することができる。
特開２００２−２３３９３０号公報 特開２００３−２６３２０８号公報

さて、以上の加工制御システムにおいて、特許文献１、２に開示されたＮＣプログラムの作成に際しては、切削抵抗の予測演算に用いられる加工プロセスモデルが、エンドミル及び被加工物の組み合わせによって定まる複数の係数を含んでおり、これらの係数値が正確に与えられることが必要である。これらの係数値は、種々の組み合わせに対して予め求めてデータベース化しておき、個々の加工においては、エンドミル及び被加工物の組み合わせに応じて必要な係数値を選定して使用される。

ところが、例えば、汎用の工作機械であるマシニングセンタにおいて実施される各種の工業製品の部品加工は、エンドミル及び被加工物の組み合わせが多岐に亘っており、これら全ての組み合わせに対して適用可能なデータベースを用意することは現実的ではなく、更に、工業製品の製造に使用される被加工物の材料特性、及び加工に使用されるエンドミルの特性には、許容範囲内での不可避のバラつきが存在するため、データベース化された係数値を用い得たとしても切削抵抗の予測値に誤差が発生することは避けられない。

従って、前記加工制御システムは、一品物の金型加工等、エンドミル及び被加工物の組み合わせが既知であり、これらの特性を含めた加工条件が厳密に管理された加工においては顕著な効果が得られる一方、工業製品の部品加工に適用した場合、切削抵抗の予測誤差の影響により過大な送り速度が選定されて、エンドミルの摩耗及び損傷、並びに加工精度の低下を招来する虞れがあり、逆に過小な送り速度が選定されて加工能率の向上機会を逸する虞れがある。また部品加工においては、工具としてのエンドミルを複数回繰り返して使用するのが一般的であり、このような場合、エンドミルに発生する摩耗の影響により前記切削抵抗の予測精度が更に低下し、前述した問題が一層助長される虞れがある。

このような問題は、実際の加工中にエンドミルに加わる負荷を検出し、この検出結果に基づくフィードバック制御を実施して、適正な切削抵抗を維持すべく送り速度をオンラインにて変更することが有効である。しかしながら、前述した固定サイクルには、隅加工サイクル、トロコイド溝加工サイクル等、サイクル内での切削抵抗の変動が大きい加工が含まれており、このようなサイクル中に応答に時間を要するフィードバック制御を実施しても適正な切削抵抗を維持することは難しく、チッピング、折損等の重大な工具損傷を引き起こす虞れがある。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、予め定めた固定サイクルの組み合わせにより表現されたＮＣプログラムに従って行われる加工中にエンドミルに実際に加わる切削抵抗を求め、この結果にフィードフォワード制御を実施することにより、多岐に亘る加工条件下にてエンドミルの摩耗及び損傷の低減と加工能率の向上とを併せて達成し得るＮＣ工作機械の加工制御システムを提供することを目的とする。

本発明の第１発明に係るＮＣ工作機械の加工制御システムは、エンドミルを用いて被加工物に所定の加工を行わせるべく、前記被加工物の加工領域を予め定めた固定サイクルの組み合わせに置き換え、各固定サイクル内での前記エンドミルの送り経路及び送り速度を、前記エンドミルに加わる切削抵抗の予測値を最適化すべく定めてなるＮＣプログラムを作成し、該ＮＣプログラムに従って与えられる制御指令に応じてＮＣ工作機械に加工動作を行わせるＮＣ工作機械の加工制御システムにおいて、前記被加工物の加工中に前記エンドミルに実際に加わる切削抵抗を算出する実抵抗算出手段と、前記制御指令をフィードフォワード補正するフィードフォワード制御要素と、該フィードフォワード制御要素の制御ゲインを、前記実抵抗算出手段による算出結果に基づいて変更する手段とを備えることを特徴とする。

本発明においては、ＮＣプログラムに従ってＮＣ工作機械に与えられる制御指令を、被加工物の加工に際してエンドミルに実際に加わる切削抵抗に応じてゲイン調整されるフィードフォワード制御要素により補正し、被加工物の公称の物性及びエンドミルの平均的な特性に基づいて演算された切削抵抗の予測値を用いて作成されたＮＣプログラムに含まれる誤差成分を、実際の加工条件に応じて遅れなく安定して排除する。

また第２発明に係るＮＣ工作機械の加工制御システムは、第１発明における実抵抗算出手段が、前記ＮＣ工作機械の駆動用モータのモータ電流の検出値を用いて前記切削抵抗を算出することを特徴とする。

この発明においては、ＮＣ工作機械の内部センサにより検出される駆動用モータの電流検出値を用い、専用のセンサを必要とせずに実切削抵抗を算出する。

本発明に係るＮＣ工作機械の加工制御システムにおいては、ＮＣプログラムに従ってＮＣ工作機械を動作させるための制御指令を、エンドミルの実切削抵抗に基づいて制御ゲインを調整されるフィードフォワード制御要素により補正するから、多岐に亘る加工条件下にてＮＣプログラムに含まれる誤差成分を遅れなく安定して排除し、エンドミルの摩耗及び損傷の低減と加工能率の向上とを併せて達成することできる。

また実切削抵抗の算出にＮＣ工作機械の駆動用モータの電流検出値を用るから、専用の検出手段が不要であり、汎用の工作機械に対して広範に適用することが可能となる等、本発明は優れた効果を奏する。

以下本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。図１は、本発明に係る加工制御システムの構成を示すブロック図であり、工程設計装置１及びサーボ制御装置２を備え、工具としてエンドミルＥを用いるＮＣ工作機械３に加工動作を行わせるべく構成されている。

工程設計装置１は、演算処理部としてのＣＰＵ10、工程設計の手順を記憶させてあるＲＯＭ11、各種の変数値を一時記憶するＲＡＭ12、及び工程設計に際して参照されるデータベース13を備えるコンピュータとして構成されており、キーボード、マウス等の入力操作部14をオペレータによる操作可能に備え、また、工程設計の各段階における各種の表示を行わせるべく、ＣＲＴディスプレイ、液晶ディスプレイ等の表示部15を備えている。

サーボ制御装置２は、工程設計装置１により作成されるＮＣプログラムに従ってＮＣ工作機械３を動作させるサーボアンプであり、図示しない入出力インターフェイスを介して工程設計装置１にオンライン接続されている。工程設計装置１からサーボ制御装置２へは、制御コマンド及び制御パラメータが与えられており、またサーボ制御装置２から工程設計装置１へは、フィードバックデータが与えられている。

ＮＣ工作機械３は、基台としてのベッド30上に水平面内にて互いに直交する２方向（Ｘ方向及びＹ方向）への移動自在に支持された加工テーブル31と、前記ベッド30の一側に立設されたコラム32に加工テーブル30の上方に面して鉛直方向（Ｚ方向）への移動自在に支持された加工ヘッド33を備えており、工具としてのエンドミルＥは、加工ヘッド33から垂下された主軸34の下端に、適宜の取付け手段を介して着脱自在に取り付けてある。

加工テーブル31は、テーブル送りモータにより駆動される送りねじ軸（図示せず）の回転に応じてＸ，Ｙ両方向に送り移動せしめられ、また加工ヘッド33は、工具送りモータにより駆動される送りねじ軸（図示せず）の回転に応じてＺ方向に送り移動せしめられる。更に主軸34は、主軸モータに連結されており、該主軸モータの回転に応じて下端に取付けられたエンドミルＥと共に軸回りに回転駆動されるようになしてある。

なお図中には、テーブル送りモータ、工具送りモータ及び主軸モータを単一の駆動モータ35として示してある。この駆動モータ35には、加工中の工具負荷の検出手段として用いられるモータ電流センサ36が付設されており、該モータ電流センサ36による各モータのモータ電流の検出値は、サーボ制御装置２に与えられている。

以上の如く構成されたＮＣ工作機械３による加工は、対象となる被加工物５を加工テーブル31上に固定し、加工ヘッド33の主軸34にエンドミルＥを取り付けた後、該エンドミルＥを主軸モータにより回転駆動すると共に、テーブル送りモータの回転によるＸ，Ｙ方向の送りと、工具送りモータの回転によるＺ方向の送りとにより、加工テーブル31上の被加工物５に対してエンドミルＥを相対移動させて実施される。

図１に示す工程設計装置１は、ＣＡＤシステム４にオンライン接続されている。ＣＡＤシステム４においては、被加工物５の加工によって製造される加工製品の設計がなされ、この設計の結果としてＣＡＤシステム４から出力される被加工物５の加工前後の形状データが工程設計装置１に与えられている。

工程設計装置１においては、ＣＡＤシステム４から与えられる被加工物５の加工前後の形状データを用い、該被加工物５の加工手順を定める工程設計がなされる。この工程設計は、夫々の手順において使用工具を選定し、作業内容を定め、ＣＬデータを作成するまでの過程を含んでいる。更に工程設計装置１においては、以上の如き工程設計の結果と、入力操作部14の操作により入力される加工条件とに基づいてＮＣプログラムの作成がなされる。

なお図１においては、工程設計装置１とＣＡＤシステム４との間の情報の授受をオンラインにて行わせる構成としてあるが、これらをオフラインに構成し、相互間の情報の授受を、磁気ディスク、光ディスク等の適宜の記録媒体を介して行わせることも可能である。また工程設計装置１にＣＡＤシステム４を含め、加工製品の形状設計から工程設計を経てＮＣプログラムを作成するまでを一貫して行わせるＣＮＣ（Computerised Numerical Control）システムとして構成してもよい。

工程設計装置１における工程設計は、特願２００４−３０７３９７に提案した方法に従ってなされる。この方法は、エンドミル加工により実行可能な複数種の固定サイクル、及びこれらの固定サイクルの組み合わせにより加工し得る加工フィーチャを予め定めておき、ＣＡＤシステム４から与えられる被加工物５の加工前後の形状差から加工領域を抽出した後、この加工領域を加工フィーチャの組み合わせに置き換え、夫々の加工フィーチャに固定サイクルを割付け、総合的な加工コストが最適化される加工フィーチャの組み合わせ及び固定サイクルの集合を最適工程として決定する方法である。

ここで固定サイクルとは、加工前後の形状に応じてパスパターンが一義に決定でき、加工条件に応じてピッチ及び送り速度を設定することによりＮＣプログラムの作成をなし得る加工サイクルである。図２は、エンドミル加工における固定サイクル及び固定サイクルに準じて取り扱われる準固定サイクルの説明図である。

図２（ａ）に示す固定サイクルは、渦巻き穴加工サイクルである。これは、ドリル加工等により形成された下穴Ｈ₀ を所望の直径を有する仕上げ穴Ｈに繰り広げるべく使用される。エンドミルＥは、下穴Ｈ₀ の内周に当接させた初期位置から、外側に向けて適宜のピッチにて拡がる渦巻き曲線形の送り経路PWに沿って送り移動せしめられる。

図２（ｂ）に示す固定サイクルは、トロコイド溝加工サイクルである。これは、円形断面の下穴Ｇ₀ を、これよりも小径のエンドミルＥを用いて径方向一側に延長し、下穴Ｇ₀ の直径に対応する幅を有する長円形の長溝Ｇを形成すべく使用される。エンドミルＥは、適宜のピッチにて一側に進行するトロコイド曲線状の送り経路PWに沿って送り移動せしめられ、夫々のパスにおいて移動方向の下流側を三日月形に切除する。

図２（ｃ）に示す固定サイクルは、ヘリカル穴加工サイクルである。これは、ドリル加工等により形成された円形断面の下穴Ｈ₀ を、これと同径の深底の仕上げ穴Ｈに拡張すべく使用される。エンドミルＥは、下穴Ｈ₀ の内周に当接させた初期位置から、図中に矢符により示す如く、深さ方向（Ｚ方向）に適宜のピッチにて進行する螺旋形の送り経路PWに沿って送り移動せしめられる。

図２（ｄ）に示す固定サイクルは、隅加工サイクルである。これは、加工領域の隅部Ｃを所望の径を有するＲ形状に加工すべく使用され、前記Ｒ形状以下の半径を有するエンドミルＥを用い、図中に白抜矢符にて示す如く隅部Ｃに近付く向きに適宜のピッチの送りを加えつつ、図中に矢符にて示す如く隅部Ｃに沿って往復移動させて行われる。

図２（ｅ），（ｆ）は、純粋な固定サイクルではないが、特願２００４−３０７３９７号に提案された方法において固定サイクルに準じて取り扱われている準固定サイクルを示している。図２（ｅ）に示す準固定サイクルは、側面加工サイクルである。これは、被加工物の側面Ｓに沿ってエンドミルＥを送り移動させ、適宜のピッチ毎の切削を行わせるものであり、被加工物に設けられた凹所の内面を切削し、凹所を外側に拡張する用途において、渦巻き穴加工サイクル及びトロコイド溝加工サイクルに組み合わせて実施される。

図２（ｆ）に示す準固定サイクルは、全幅溝加工サイクルである。これは、エンドミルＥを径方向の一側に向けて送り移動させ、被加工物を送り方向上流側の全幅にて切削し、前記エンドミルＥの直径Ｄに等しい幅Ｗを有する溝を形成する加工サイクルである。

工程設計装置１において行われる工程設計の手順については、加工フィーチャの種類、加工領域の分割手順及び固定サイクル（準固定サイクルを含む）の割り付け手順を含めて特願２００４−３０７３９７に詳しく述べられており、本願における詳細な説明は省略する。

以上の工程設計の過程においては、夫々の固定サイクルにおける送り経路及び送り速度の設定がなされたＮＣプログラムの作成までがなされる。このＮＣプログラムの作成は、特許文献１、２に開示されているように、夫々の固定サイクル内にて送り経路上にてエンドミルに加わる切削抵抗を切削状態を表す加工プロセスモデルを用いて予測演算し、演算された予測値が適正値に収束する送り経路を夫々の送り速度を含めて決定する手順によりなされる。切削抵抗の予測演算に用いる加工プロセスモデルは、入力操作部14の操作により入力される加工条件に基づいてデータベース13を参照し、必要な係数値を選定して構成される。

工程設計装置１は、このＮＣプログラムに従ってサーボ制御装置２に制御コマンドを出力し、サーボ制御装置２は、前記制御コマンドに従ってＮＣ工作機械３の駆動モータ35を駆動制御する動作をなし、これにより加工テーブル31上の被加工物５が加工される。

図３は、サーボ制御装置２の内部構成を示すブロック線図である。図示の如くサーボ制御装置２は、比例要素20とフィードバック要素21とを備えると共に、フィードフォワード要素22を備えてなる。工程設計装置１から与えられる動作指令は、比例要素20の上流側の減算器23に与えられ、またフィードフォワード要素22に与えられている。

前記減算器23には、ＮＣ工作機械３の駆動モータ35に付設されたモータ電流センサ36による各モータのモータ電流の検出値が、フィードバック要素21を経て所定の次元に変換されて与えられており、減算器23において前記動作指令との偏差が求められ、この偏差が比例要素20に入力され、所定のゲインを乗じて出力される構成となっている。なおモータ電流制御36によるモータ電流の検出値は、フィードバックデータとして工程設計装置１にも与えられている。

比例要素20の出力は、加算器24に与えられている。この加算器24には、フィードフォワード要素22の出力が与えられている。フィードフォワード要素22の出力は、工程設計装置１から与えられる動作指令に後述の如く設定されるＦＦゲインを乗じた値となっており、加算器24において比例要素20の出力に加算され、この加算値がＮＣ工作機械３に制御出力として与えられる。

フィードフォワード要素22には、工程設計装置１から出力される制御パラメータが与えられており、フィードフォワード要素22におけるＦＦゲインは、この制御パラメータに応じて設定される。以上の如きＦＦゲインの設定に用いる制御パラメータは、工程設計装置１において、前述の如くフィードバックデータとして与えられているモータ電流センサ36によるモータ電流の検出値を用いて決定される。

図４は、以上の如きＦＦゲインの設定に用いる制御パラメータの決定手順を示すフローチャートである。この手順は、サーボ制御装置２からの制御指令に従ってＮＣ工作機械３が加工動作を開始した後に適宜のタイミングにて実施される。まず工程設計装置１は、加工が開始されたか否かを判定し（ステップ１）、加工が開始されたと判定された場合（ステップ１：ＹＥＳ）、フィードバックデータとして与えられるモータ電流センサ36によるモータ電流の検出値を所定のサンプリング周期にて複数回取込み（ステップ２、３）、取込みを完了した後（ステップ３：ＹＥＳ）、これらの電流検出値を用いてエンドミルＥに加わる実切削抵抗を算出する（ステップ４）。

ステップ１での加工開始は、例えば、オペレータによる図示しない運転開始スイッチのオン操作により判定することができ、またモータ電流センサ36からのフィードバックデータの有無により間接的に判定することもできる。ステップ４での実切削抵抗の算出は、例えば、取込まれた電流検出値に予め設定された換算係数を乗じることによりなされる。

なお、ＮＣ工作機械３の適宜部位に設けた専用のセンサにより切削抵抗を直接的に検出し、この検出値を実切削抵抗として用いるようにしてもよいが、ＮＣ工作機械３の内部センサとしてのモータ電流センサ36の検出値を用いることによりセンサ数の削減を図ることができる。

次いで工程設計装置１は、ステップ４において算出された実切削抵抗を用い、サーボ制御装置２のフィードフォワード要素22におけるＦＦゲインの設定に用いる制御パラメータを決定し（ステップ５）、この制御パラメータをサーボ制御装置２に出力して（ステップ６）制御パラメータの決定動作を終える。

図５は、エンドミルＥによる被加工物５の切削状態を示す模式図であり、（ａ）は、直線部5aの切削状態を示し、（ｂ）は、内側円弧部5bの切削状態を示している。図５（ａ）に示す直線部5aの切削は、これと平行をなして設定された送り経路６上に軸心を沿わせたエンドミルＥが、図中に矢符により示す向きに回転しつつ白抜矢符により示す向きに送り移動せしめられる間に、径方向の切り込み深さ（＝Ｒ_d ）分を逐次削り取ることによりなされる。このときエンドミルＥには、送り移動の方向の切削抵抗（＝Ｆ_y ）と送り移動の方向と直交する方向の切削抵抗（＝Ｆ_x ）との合力が、送り経路６を含む２次元平面（ＸＹ平面）内での切削抵抗（＝Ｆ_xy）として加わる。

エンドミルＥに加わる切削抵抗Ｆ_x ，Ｆ_y は、軸方向の切り込み量Ａ_d の長さ範囲内の各断面において略同じであり、これらの合力として与えられる切削抵抗Ｆ_xyは、前記切り込み量Ａ_d が一定であるという加工条件下においては、図中にｔ_m として示す切削前の最大切りくず厚さと、同じくＬとして示す切りくず長さとを説明変数とする２変数の応答曲面に基づいて求めることができる。ここで、図５（ａ）に示す直線部5aの切削状態において、最大切りくず厚さｔ_m と切りくず長さＬとは、幾何学的な関係から下式により求められる。

Ｌ＝Ｒ・Ａ_en …（１）
ｔ_m ＝ｆ_z ・ｓｉｎＡ_en …（２）

これらの式中のＲは、エンドミルＥの半径（mm）である。またｆ_z は、エンドミルＥの周上に並ぶ切刃１枚当りの送り量（mm／刃）であり、工程設計装置１による工程設計の結果として定められる送り経路６上でのエンドミルＥの送り速度（mm／min ）、回転数及び切刃の刃数を乗じて与えられる。更にＡ_enは、平面切削関与角、具体的には、切削中のエンドミルＥの周面が被加工物５に接触する部分のエンドミルＥの中心Ｂ上での中心角（ｒａｄ）であり、エンドミルＥの半径Ｒと径方向の切り込み深さＲ_d とを用いて下式により算出される。

Ａ_en＝ｃｏｓ^-1｛（Ｒ−Ｒ_d ）／Ｒ｝ …（３）

一方、図５（ｂ）に示す内側円弧部5bの切削状態において、最大切りくず厚さｔ_m と切りくず長さＬとは、図５（ｂ）に示す幾何学的な関係から下式により求められる。

Ｌ＝Ｒ・Ａ_en …（４）
ｔ_m ＝ｆ_z ・ｓｉｎ（Ａ_en−α） …（５）

これらの式中のＲ，Ａ_enは、（１），（２）式中のそれらと同じである。（５）式中のαは、切削中のエンドミルＥの周面が被加工物５に接触する部分が、送り経路６の中心Ｏの周りに形成する中心角（ｒａｄ）であり、図５（ｂ）中に示す如く、エンドミルＥの中心Ｂと切削点Ａとが前記中心Ｏの周りに作る角度として与えられる。またｆ_z は、エンドミルＥの周上に並ぶ切刃１枚当りの送り量（mm／刃）であるが、このｆ_z は、図５（ｂ）に示すような内側円弧部5bの切削においては、被加工物５との接触部分での送り量ｆ_zeよりも小さくなる。

更に、被加工物５の加工後の円弧半径をＲ₀ （mm）とするとき、図５（ｂ）中の幾何学的関係により、Ａ_enとαとの間に下式の関係が成り立つ。

（Ｒ₀ −Ｒ_d ） ＝（Ｒ₀ −Ｒ）＋Ｒ −２（Ｒ₀ −Ｒ）Ｒｃｏｓ（π−Ａ_en） …（６）
ｓｉｎα＝Ｒ・ｓｉｎＡ_en／（Ｒ₀ −Ｒ_d ） …（７）

いま、切削に関与する切刃の数が、エンドミルＥの位相及び回転角の如何に拘らず常に１枚であるとすると、該当する切刃について、直線切削の場合には（１），（２）式により、円弧切削の場合には（３），（４）式により求められるＬ，ｔ_m がエンドミルＥに加わる切削抵抗Ｆ_xyを支配することとなり、この切削抵抗Ｆ_xyは、正規化された最大切りくず厚さｔ_m 及び切りくず長さＬを説明変数とする２変数の応答曲面を示す下式により予測演算することができる。

Ｆ_xy＝Ｃ₀ ＋Ｃ₁ ｔ_m ＋Ｃ₂ Ｌ＋Ｃ₁₁ｔ_m ² ＋Ｃ₂₂Ｌ² ＋Ｃ₁₂ｔ_m Ｌ …（８）

なおこの式（４）で表される切削抵抗予測モデルは、加工条件が想定された一定の範囲内で変動したときでも、十分な予測精度を発揮しなくてはならない。そのためには、想定される範囲内で均等に分布するように加工条件を複数通りに変え、夫々の加工条件に対して得られた実切削抵抗Ｆ_xyを用い、例えば、最小二乗法により式（８）中のＣ₀ 〜Ｃ₁₂を同定する必要がある。ここで固定サイクルでは、仕上げ形状のみがユーザから与えられ、加工時のエンドミルＥの送り経路はパターン化されるため、モデル同定を効率的に行うためには、工程設計装置１において加工条件を種々に変えた専用のサイクルを設定するのが望ましい。

ここでは例として、図２（ａ）に示された渦巻穴加工サイクルにおける工具経路及び加工条件の設定手法を示す。同様の手法は他の固定サイクルについても適用可能である。

最初に、エンドミルＥ及び被加工物５の与えられた組み合わせに対して、直線切削における標準条件に対応する最大切りくず厚さｔ_m の標準値ｔ_m （１）及び切りくず長さＬの標準値Ｌ（１）を、式（１）〜（３）を用いて決定する。次に、これらの標準値を基準として、加工条件の変動を考慮して同定条件ｔ_m （１）〜ｔ_m （Ｎ）、Ｌ（１）〜Ｌ（Ｎ）を決定する。ここで、Ｎは同定のための実験数であり、渦巻穴加工サイクルにおいて周毎に加工条件を変える場合には、Ｎは周数となる。

図２（ａ）に示された渦巻穴加工固定サイクルの内側からｋ周目（＝１〜Ｎ）のサイクルに対し、変数ｔ_m （ｋ）、Ｌ（ｋ）の値が上記のように与えられたとき、ｋ周目のサイクルにおける加工後の円弧半径をＲ₀ （ｋ）（mm）、送り速度ｆ（ｋ）（mm/sec) は、図５（ｂ）における幾何学的な関係から、次式を用いて求められる。

ここで、Ａ_en（ｋ）は、ｋ周目加工時の切削関与角（ｒａｄ）、α（ｋ）は、ｋ周目の加工時におけるエンドミルＥの被加工物５との接触部の中心角度（ｒａｄ）、ｆ_ze（ｋ）は、ｋ周目における１刃当りの送り量（mm／刃) であり、またｎは、エンドミルＥの周上に並ぶ刃数、Ｓは、主軸の回転数（ sec^-1）である。

このように決定される渦巻穴加工サイクルの加工条件の設定例を表１及び図６に示す。図６中の太線は、加工目標となる輪郭線であり、図中の細線は、エンドミルＥの中心軌跡を示している。

ステップ５において工程設計装置１は、以上の手順により（８）式中の係数Ｃ₀ 〜Ｃ₁₂を求める。前記（８）式は、工程設計に際して切削抵抗の予測値を算出するためにも用いられており、工程設計装置１は、前述の如く求められた係数Ｃ₀ 〜Ｃ₁₂と、工程設計において切削抵抗の予測演算に用いられた係数値との差を求め、この差分に相当する制御パラメータをサーボ制御装置２に与える。

このように決定されサーボ制御装置２与えられる制御パラメータは、前述の如く、フィードフォワード要素22におけるゲイン設定に用いられる。これによりフィードフォワード要素22の出力は、ＮＣプログラムに従う加工動作を行わせるべく工程設計装置から与えられる動作指令を、エンドミルＥと被加工物５との間にて実際に発生する切削抵抗に基づいて補正した値となり、この出力が加算器24において比例要素20の出力に加算されてＮＣ工作機械３に制御出力として与えられるから、工程設計装置１におけるＮＣプログラムの作成が、誤差を有する切削抵抗の予測値に基づいてなされている場合においても、この誤差分が補正されてＮＣ工作機械３に制御出力として与えられることとなり、この制御指令に従うＮＣ工作機械３の動作により、被加工物５を、多岐に亘る加工条件下にてエンドミルＥの摩耗及び損傷を抑えながら、可及的に高い加工能率での加工を行わせることが可能となる。

特にフィードフォワード要素22は、図２（ｂ）に示すトロコイド溝加工サイクル，図２（ｃ）に示すヘリカル穴加工サイクル、図２（ｄ）に示す隅加工サイクル等、サイクル内での切削抵抗の変動が大きい加工において有効に作用し、該フィードフォワード要素22のゲイン設定が切削抵抗の実測値に応じて変更されるから、安定した動作を補償することができる。

なおサーボ制御装置２に備えられたフィードバック要素21は、エンドミルＥの経時的な摩耗等に起因して緩やかに生じる加工状態の変化を補正すべく作用し、フィードフォワード要素22との相乗作用により、被加工物５の加工領域の全般に亘って最適な条件下での加工を行わせることができる。

本発明に係る加工制御システムの構成を示すブロック図である。 エンドミル加工における固定サイクル及び固定サイクルに準じて取り扱われる準固定サイクルの説明図である。 サーボ制御装置の内部構成を示すブロック線図である。 ＦＦゲインの設定に用いる制御パラメータの決定手順を示すフローチャートである。 エンドミルによる被加工物の切削状態を示す模式図である。 渦巻穴加工サイクルの加工条件の設定例を示す図である。

符号の説明

１ 工程設計装置
２ サーボ制御装置
３ ＮＣ工作機械
５ 被加工物
21 フィードバック要素
22 フィードフォワード要素
36 モータ電流センサ

Claims (2)

1. エンドミルを用いて被加工物に所定の加工を行わせるべく、前記被加工物の加工領域を予め定めた固定サイクルの組み合わせに置き換え、各固定サイクル内での前記エンドミルの送り経路及び送り速度を、前記エンドミルに加わる切削抵抗の予測値を最適化すべく定めてなるＮＣプログラムを作成し、該ＮＣプログラムに従って与えられる制御指令に応じてＮＣ工作機械に加工動作を行わせるＮＣ工作機械の加工制御システムにおいて、
   前記被加工物の加工中に前記エンドミルに実際に加わる切削抵抗を算出する実抵抗算出手段と、
   前記制御指令をフィードフォワード補正するフィードフォワード制御要素と、
   該フィードフォワード制御要素の制御ゲインを、前記実抵抗算出手段による算出結果に基づいて変更する手段と
   を備えることを特徴とするＮＣ工作機械の加工制御システム。
2. 前記実抵抗算出手段は、前記ＮＣ工作機械の駆動用モータのモータ電流の検出値を用いて前記切削抵抗を算出する請求項１記載のＮＣ工作機械の加工制御システム。

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