2015 Fiscal Year Annual Research Report
切削力のリアルタイムシミュレーションとセンサレスモニタリングによる切削状態制御
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26289018
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
白瀬 敬一 神戸大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (80171049)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
佐藤 隆太 神戸大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (60376861)
金子 順一 埼玉大学, 理工学研究科, 准教授 (80375584)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 工作機械 / 自律加工 / 適応制御 / シミュレーション / モニタリング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
研究代表者と研究分担者が得意とする以下の研究課題に取り組み，その研究成果を統合して数値制御工作機械による加工プロセス制御の実現を目指している。
(1)加工中の切削力や切削トルクを予測する目的で，素材形状をボクセルモデルで表現して数式によらずに実切取り厚さを検出する手法を考案し，スクウェアエンドミルを対象とした切削加工シミュレータを開発した。さらに，切削加工シミュレータで予測される切削トルクをフィードバックして工具送り速度を修正する適応制御（加工プロセス制御）を実現して加工実験でその効果を検証した。
(2)工作機械の主軸駆動系および送り駆動系の運動と切削プロセスとの連成シミュレーションを行うための方法を開発し，切削力による送り速度や主軸回転数の変動とそれが切削力に及ぼす影響とをシミュレーションで表現することに成功した。さらに，びびり振動発生時の主軸モータトルクの平均値を開発したモデルによるシミュレーション結果と比較することで，びびり振動の発生を検出できることが明らかとなった。
(3)平成26年度に開発した仮想倣い加工における工具姿勢決定手法において，工具弾性変形の抑制を実現するため，切削抵抗の予測時に必須となる実送り速度の予測モデルの開発を実施した。複数軸の同期制御において実送り速度の変動が大きくなる現象において，従来の直線補間駆動時予測モデルの検討が必要なことを確認した。そして，仮想倣い加工において頻繁に発生する微小長さによって分割された直線経路を対象として，数10ミリ秒後の工具送り速度の正確な推定を行うための予測モデルの検討と，これを用いた微小線分動作時の実行送り速度予測システムの開発を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
研究代表者と研究分担者が担当するいずれの課題もおおむね順調に推移している。
(1) ボクセルモデルを利用した加工形状シミュレーションと仮想倣い加工（実時間工具経路生成）との連携による工具モーションの自律制御： ボクセルモデルを利用した加工形状シミュレータに切削力シミュレータを統合して切削加工シミュレータを開発した。特に，数式によらずに実切取り厚さを検出する手法を考案し，スクウェアエンドミルを対象として加工中の切削力や切削トルクを予測するすることに成功した。さらに，切削加工シミュレータで予測される切削トルクをフィードバックして工具送り速度を修正する適応制御（加工プロセス制御）を実現して加工実験でその効果を検証して当初の計画をほぼ達成した。
(2) 切削力のセンサレスモニタリングとモニタリング結果をフィードバックする加工プロセス適応制御： 工作機械の主軸駆動系および送り駆動系の運動と切削プロセスとの連成シミュレーションを行うための方法を開発し，切削力による送り速度や主軸回転数の変動とそれが切削力に及ぼす影響とをシミュレーションで表現することに成功した。さらに，びびり振動発生時の主軸モータトルクの平均値を開発したモデルによるシミュレーション結果と比較することで，びびり振動の発生を検出できることを明らかにして当初の計画をほぼ達成した。
(3) 仮想倣い加工における工具姿勢計画及び切削力のリアルタイムシミュレータの開発： 仮想倣い加工において多用される立体形状に対する微小長さ線分による工具位置指令に対応した実送り速度予測手法を開発した。予備実験によるCNC工作機械のサンプリング周期からモデルパラメータを取得することにより，実験的に実送り速度の低下を予測できることを確認して当初の計画をほぼ達成した。
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| Strategy for Future Research Activity |
研究代表者と研究分担者が担当する研究課題ごとに，平成27年度の研究成果に基づいた課題解決と新機能の開発や機能強化を図る。
(1)ボクセルモデルを利用した加工形状シミュレータに切削力シミュレータを統合して切削加工シミュレータを開発し，スクウェアエンドミルを対象として加工中の切削力や切削トルクを予測するすることに成功した。そこで，実時間で予測される切削トルクとモニタリングで得られる切削トルクを逐次に比較して，工具摩耗の状態や切削状態の正常／異常を判定するインテリジェントモニタリングの開発に取り組み，加工実験でその効果を検証する。
(2)工作機械の主軸駆動系および送り駆動系の運動と切削プロセスとの連成シミュレーションを行うための方法を開発し，切削力による送り速度や主軸回転数の変動とそれが切削力に及ぼす影響とをシミュレーションで表現することに成功したが，びびり振動などの異常な切削状態をシミュレーションで表現するには至らなかった。そこで今年度は，機械構造の振動特性も考慮したシミュレーションを行い，びびり振動の時間領域シミュレーションとその検知および抑制方法の開発に取り組む。
(3)ボクセルシミュレータによる素材形状変化と工具に作用する切削力の方向ベクトルを考慮し，加工面法線方向に対する工具逃げ量が最小となる工具姿勢候補を並列計算技術によって評価するシステムの開発を行う。工具側の弾性変形による工具切れ刃逃げ量や最大トルクといった複数の評価基準に応じて工具姿勢を選択し，実時間での工具姿勢計画を実現する。また，平成26年度に開発した工具モーション制御技術と組み合わせて，加工実験でその効果を検証する。
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| Causes of Carryover |
当初予定では，切削動力計 キスラー9257Bを購入して実験で使用する計画であったが，為替変動による代理店の価格改訂により購入が不可能となった。これに代わるものとして埼玉大学保有の旧型の切削動力計キスラー9272を使用することにしたが，新たにチャージアンプが必要となった。これにより物品費が増加したため，旅費とその他費用を削減して実支出額を抑制した。未使用額は助成額の3%程度（107,522円）であり，消耗品の購入に充ててゼロとすることはできたが，予算消化のようになるので敢えてしなかった。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
次年度使用額が107,522円と少額であり，加工実験で必要となる工具や被削材の購入に充当する。
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