CN101866166B

CN101866166B - 机床控制装置

Info

Publication number: CN101866166B
Application number: CN2010101626692A
Authority: CN
Inventors: 岩下平辅; 置田肇; 手塚淳一
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2009-04-17
Filing date: 2010-04-16
Publication date: 2013-01-30
Anticipated expiration: 2030-04-16
Also published as: CN101866166A; US20100264867A1; DE102010015221A1; JP4643725B2; DE102010015221B4; US8026689B2; JP2010250697A

Abstract

本发明提供一种机床控制装置，具备：第一消耗电能计算部，其计算进给轴驱动用电动机的消耗电能；第二消耗电能计算部，其计算以恒定功率进行动作的设备的消耗电能；以及电动机控制部，其根据第一消耗电能计算部计算出的消耗电能、和第二消耗电能计算部计算出的消耗电能的总和，决定与进给轴驱动用电动机的加速时间以及减速时间中的至少一方具有相对关系的目标时间常数，根据该目标时间常数控制进给轴驱动用电动机。

Description

机床控制装置

技术领域

本发明涉及对加工中心等机床进行控制的机床控制装置。

背景技术

已知抑制加工工件时的消耗电能的装置。在特开平6-161535号公报(JP6-161535A)记载的装置中，延长轴进给用伺服电动机的加速时间，降低所需要的电流的最大值，由此抑制消耗电能。

但是，在这种机床中，在加工工件时不仅驱动轴进给用电动机，还同时驱动切削液供给用液压泵等以恒定的功率进行动作的设备。因此，如JP6-161535A中记载的装置那样，在延长轴进给用伺服电动机的加速时间的结构中，循环时间增长，上述设备的消耗电能增加，难以把整个机床的消耗电能抑制到最佳。

发明内容

根据本发明的一个形式，机床的控制装置具备：第一消耗电能计算单元，其计算进给轴驱动用电动机的消耗电能；第二消耗电能计算单元，其计算以恒定的功率进行动作的设备的消耗电能；以及电动机控制单元，其根据第一消耗电能计算单元计算出的消耗电能和第二消耗电能计算单元计算出的消耗电能的总和，决定与进给轴驱动用电动机的加速时间以及减速时间中的至少一方具有相对关系的目标时间常数，根据该目标时间常数控制进给轴驱动用电动机。

附图说明

本发明的目的、特征以及优点，通过与附图关联的以下的实施方式的说明会进一步明了。附图中，

图1是概要地表示应用本发明的实施方式的控制装置的机床的全体结构的图。

图2是表示本发明的实施方式的控制装置的结构的框图。

图3是表示加工程序的一例的时序图。

图4A是表示加工程序的图形的图。

图4B是表示与图4A不同的加工程序的图形的图。

图5是表示通过本发明的实施方式的控制装置而得到的加减速时间常数和循环时间以及总消耗电能的关系的图。

图6是表示在图1的控制器中执行的处理的一例的流程图。

图7是表示图5的变形例的图。

图8是表示通过本发明的变形例的控制装置设定时间常数时的系数的关系的图。

具体实施方式

以下，参照图1～图8说明本发明的实施方式。图1是概要地表示应用了本发明实施方式的控制装置的机床的全体结构的图。

图1所示的机床，是在铅直方向上配置了主轴的、所谓的立式的加工中心。通过主轴电动机10s对主轴进行旋转驱动，通过主轴电动机10s的驱动，对刀具11进行旋转驱动。刀具11是立铣刀(end mill)、铣刀(cutter)、钻头(drill)等切削刀具或者磨削刀具，以可以装卸的方式安装在主轴头12上。在刀具11的下方横向设置工作台13，在工作台13上固定了工件14。

在工作台13上，经由螺母15螺栓结合了滚珠螺杆16。通过进给轴电动机10f对滚珠螺杆16进行旋转驱动，通过进给轴电动机10f的驱动，工作台13在水平方向(例如XY方向)上移动。虽然省略了图示，但在主轴侧也设置了与之相同的进给机构，通过进给轴电动机10f的驱动，主轴头12在上下方向上(Z方向)移动。即，在机床上对应于正交3轴的进给轴的方向(XYZ方向)设置多个进给轴电动机10f，通过这些进给轴电动机10f的驱动，工件14相对于刀具11进行相对移动。

主轴电动机10s由AC主轴电动机构成，进给轴电动机10f由AC伺服电动机构成。这些电动机10s、10f通过经由放大器供给的来自电源的功率进行驱动。主轴驱动用电动机10s和进给轴驱动用电动机10f的结构不限于此。来自电源的功率还被提供给供给切削液的液压泵等周边设备17。该周边设备17在工件14的加工过程中通过恒定的功率进行动作。

通过控制器20控制主轴电动机10s以及进给轴电动机10f的驱动。控制器20包含运算处理装置，该运算处理装置具有CPU、ROM、RAM、以及其它周边电路等。在控制器20上连接了输入与工件14的加工相关的各种指令的输入装置31、以及根据由控制器20执行的处理来显示各种信息的显示装置32。输入装置31可以由键盘或触摸板等构成。

图2是表示本发明实施方式的控制装置的结构的框图，主要表示了控制器20的内部结构。数据设定部21根据来自输入装置31的指令，设定基于进给轴驱动的进给速度(目标进给轴速度)vf或目标移动量X、主轴的旋转速度(目标主轴速度)vs、初始的时间常数、电动机固有的物理特性、主轴以及进给轴的摩擦力矩、周边设备17单位时间内消耗的消耗功率P0等各种数据，并且设定在加工程序中包含的数据。速度、移动量、时间常数等也可以通过加工程序的形式来设定。还把目标进给轴速度vf和目标主轴速度vs分别称为设定速度。

图3是表示通过数据设定部21设定的加工程序的一例的时序图。在图中，把从加工程序开始到加工程序结束为止的循环时间T分为t1～t13来表示。当详细描述图3时，从加工程序的开始起在时间t1后主轴进行驱动，在时间t2后主轴速度达到设定速度vs。并且，在时间t3后，进给轴在一个方向上驱动，在时间t4后，进给轴速度达到设定速度vf。此后，进给轴在以设定速度vf驱动了时间t5后进行减速，在时间t6后停止。并且，在时间t7后，进给轴在相反方向上驱动，在时间t8后，进给轴速度达到设定速度-vf。此后，进给轴在以设定速度-vf驱动了时间t9后进行减速，在时间t10后停止。另一方面，主轴在时间t11后减速，在时间t12后停止，在时间t13后加工程序结束。

在此例中，把进给轴的加速时间t4、t8和减速时间t6、t10全部设定为相等的值，并且把以设定速度vf、-vf进行驱动的时间(恒定速度时间)t5、t9也设定为互相相等的值。将主轴的加速时间t2和减速时间t12也设定为互相相等的值。

以下，把进给轴速度达到设定速度vf之前所需的时间定义为加减速时间常数tf，将主轴速度达到设定速度vs之前所需的时间设定为加减速时间常数ts。在图3的例子中，加减速时间常数tf与加减速时间t4、t6、t8、t10相等，加减速时间常数ts与加减速时间t2、t12相等。有时将加减速时间常数tf、ts简称为时间常数。如后所述，考虑机床全体的消耗电能来决定加减速时间常数tf、ts。

当使用加减速时间常数tf、ts时，进给轴的加速度af成为vf/tf，主轴的加速度as成为vs/ts。即，加速度af、as是以加减速时间常数tf、ts为参数的变量。图3的加减速时间t2、t4、t6、t8、t10、t12与恒定速度时间t5、t9，根据加减速时间常数tf、ts来决定，与之相对，其它时间t1、t3、t7、t11、t13预先被设定为固定时间。

图2的加减速时间计算部22，使用来自数据设定部21的数据，如下那样分别计算进给轴以及主轴的加减速时间tf1、ts1。恒定速度旋转时间计算部23，使用来自数据设定部21和加减速时间计算部22的数据，如下那样分别计算进给轴以及主轴的恒定速度时间tf2、ts2。

当使用进给轴的加速度af(mm/sec²)、移动量X(mm)、设定速度vf(mm/sec)时，如图4A所示，可以通过下面的式子(I)分别求出进给轴速度达到设定速度vf时，即移动量X大，X＞vf²/af时的进给轴的加减速时间tf1以及恒定速度时间tf2。

tf1＝vf/af

tf2＝X/vf-vf/af(I)

另一方面，如图4B所示，当进给轴速度未达到设定速度vf时，即移动量X小，X≤vf²/af时的进给轴的加减速时间tf1和进给轴的最高速度vf1，可以通过下面的式子(II)来分别求出。

tf1＝sqrt(X/af)

vf1＝sqrt(X·af)(II)

当使用主轴的加速度as(rad/sec²)、设定速度vs(rad/sec)时，主轴的加减速时间ts1可以通过下面的式(III)求出。

ts1＝vs/as(III)

可以通过把循环时间T内的进给轴的加减速时间tf1、恒定速度时间tf2、以及预定的固定时间(图3的t3、t7、t11)相加，来求出主轴的恒定速度时间ts2。

在图2的循环时间计算部24中，根据来自加减速时间计算部22和恒定速度旋转时间计算部23的信号，加法计算加工的循环时间T(图3的t1～t13)。在计算循环时间T时，考虑预定的加工程序。在图3的例子中，例如通过将主轴以及进给轴的加减速时间tf1、ts1；进给轴的恒定速度时间tf2；固定时间(t1、t3、t7、t11、t13)相加，或者将主轴的加减速时间ts1、主轴的恒定速度时间ts2、以及固定时间(t1，t13)相加，可以求出循环时间T。

在第一消耗电能计算部25中，根据来自数据设定部21、加减速时间计算部22和恒定速度旋转时间计算部23的信号，如下那样预测各电动机10f、10s的消耗电能。作为电动机固有的物理特性，设进给轴电动机10f的线圈电阻(一相)为R(Ω)、转矩常数为Kt(Nm/A)、负载惯量为J(kgm²)、设定速度vf中的进给轴电动机10f的转速为ω(rad/sec)、进给轴的摩擦力矩为Tf(Nm)。此时，进给轴电动机10f加速时的电流I(A)可以通过下面的式(IV)求出。

I＝(J×a)/Kt (IV)

当作为电动机损失仅考虑了铜损时，进给轴电动机10f的加速时的消耗电能Ea(Ws)，可以使用加减速时间tf1通过下面的式(V)来求出。

Ea＝1/2×J×ω²+3×R×I²×tf1

＝J·ω²/2+(3R·J²·ω/Kt²)×a (V)

当把表示再生运动能量的比例的系数设为Kr时，进给轴电动机10f的减速时的消耗电能Ed(Ws)可以通过下面的式(VI)求出。

Ed＝-1/2×J×ω²×Kr+3×R×I²×tf1

＝-J·Kr·ω²/2+(3R·J²·ω/Kt²)×a (VI)

进给轴电动机10f以恒定的速度进行旋转时的消耗电能Ec可以使用恒定速度时间tf2通过下面的式(VII)求出。

Ec＝Tf×ω×tf2+3×R×(Tf/Kt)²×tf2

＝Tf·ω+tf2+3R·tf2×(Tf/Kt)²(VII)

当在循环时间T内具有多个加减速以及恒定速度的区域时，将这些多个区域的各个消耗电能相加即可，此时的进给轴电动机10f的消耗电能Em可以通过下面的式(VIII)求出。

Em＝∑Ea+∑Ed+∑Ec (VIII)

针对主轴电动机10s，也可以同样地求出消耗电能Em。

在第二消耗电能计算部26中，根据来自数据设定部21和循环时间计算部24的信号，预测循环时间T内的周边设备17的消耗电能E0(Ws)。在把周边设备17消耗的功率设为P0(W)时，消耗电能E0可以通过下面的式(IX)求出。

E0＝P0×T (IX)

在总消耗电能计算部27中，根据来自第一消耗电能计算部25和第二消耗电能计算部26的信号，计算循环时间T内的机床全体的总消耗电能E。在如本实施方式这样存在多个电动机的情况下，将各个电动机10f、10s的消耗电能Em相加即可，总消耗电能E可以通过下面的式(X)求出。

E＝∑Em+E0(X)

在加减速时间常数选择部28中求出使总消耗电能E达到最小的目标时间常数ta。图5表示进给轴电动机10f的加减速时间常数tf和循环时间T以及总消耗电能E的关系。加减速时间常数选择部28，预先在数据设定部21中决定的下限值tmin和上限值tmax之间，以预定间隔Δt变更加减速时间常数tf，针对每个时间常数tf如上那样计算总消耗电能E和循环时间T，由此得到该图。根据加工条件等，例如基于经验等来决定tmin、tmax、Δt。由图可知，总消耗电能E成为向下凸出的特性，循环时间T成为右侧上升的特性。由该图可以求出总消耗电能E达到最小的目标时间常数ta。针对主轴电动机10s也可以同样地求出目标时间常数ta。

在图2的电动机控制部29中，根据由加减速时间常数选择部28求出的目标时间常数ta控制各电动机的驱动。即，使用目标时间常数ta设定加减速时间tf1、ts1和恒定速度时间tf2、ts2，计算出加减速图形。进而，电动机控制部29根据计算出的加减速图形向各电动机10f、10s输出控制信号，控制工件加工时的各电动机10f、10s的驱动。

图6是表示由控制器20的CPU执行的处理、特别是与加减速时间常数tf、ts的设定相关的处理的一例的流程图。该流程图所示的处理是在工件14的加工前进行的处理，例如当通过输入装置31输入了时间常数设定指令时开始。在初始状态下，作为加减速时间常数tf、ts而设定了下限值tmin。

在步骤S1中设定在加减速时间常数tf、ts的设定中所需的各种数据。这是数据设定部21中的处理，作为设定的数据，为目标进给轴速度vf、目标移动量X、目标主轴速度vs、电动机固有的物理特性(电动机的线圈电阻R、转矩常数Kt、负载惯量J等)、主轴和进给轴的摩擦力矩Tf、周边设备17单位时间内消耗的消耗功率P0等。

在步骤S2中，分析加工程序(图3)，掌握应求出的加减速时间tf1、ts1和恒定速度时间tf2、ts2的变化的图形(加工图形)、即加工的顺序、设定速度等。

在步骤S3中，通过上述加减速时间计算部22中的处理，计算与加减速时间常数tf、ts对应的各电动机10f、10s的加减速时间tf1、ts1。在这种情况下，如上所述，分为与移动量X和vf²/af的大小对应的情况来计算加减速时间tf1、ts1。

在步骤S4中，通过上述恒定速度旋转时间计算部23中的处理，计算与加减速时间常数tf、ts对应的各电动机10f、10s的恒定速度时间tf2、ts2。

在步骤S5中，通过上述循环时间计算部24中的处理，计算与加减速时间常数tf、ts对应的工件14的加工所需的循环时间T。将该循环时间T存储在存储器中。

在步骤S6中，通过上述第一消耗电能计算部25中的处理，计算循环时间T内的各电动机10f、10s的消耗电能Em(第一消耗电能)。

在步骤S7中，通过上述第二消耗电能计算部26中的处理，计算循环时间T内的周边设备17的消耗电能E0(第二消耗电能)。

在步骤S8中，通过上述总消耗电能计算部27中的处理，计算循环时间T内的机床全体的总消耗电能E。将该总消耗电能E存储在存储器中。

在步骤S9中，判定加减速时间常数tf、ts是否为上限值tmax。当判定出不是上限值tmax时，进入步骤S10。

在步骤S10中，对当前的加减速时间常数tf、ts加上预先决定的预定时间常数增量Δt，将相加后的结果设定为新的加减速时间常数tf、ts，并返回步骤S3。使用该新的时间常数tf、ts重复步骤S3～步骤S8的处理。

在步骤S9中，当判定出时间常数tf、ts是上限值tmax时，进入步骤S11。在步骤S11中，使用在存储器中存储的总消耗电能E，通过上述加减速时间常数选择部28中的处理，选择总消耗电能E达到最小的加减速时间常数tf、ts。然后，将选择出的时间常数tf、ts设定为目标时间常数ta，结束处理。例如，可以通过灯等的点亮来报知处理的结束。由此，操作员可以在适当的时间开始工件14的加工。

以下，对本实施方式的控制装置的动作进行汇总。例如，在根据图3的加工程序设定目标时间常数ta时，首先，计算以时间常数tf、ts为参数的加减速时间tf1、ts2以及恒定速度时间tf2、ts2，并且计算循环时间T(步骤S3～步骤S5)。接着，使用这些计算值计算电动机10f、10s的消耗电能Em(步骤S6)。进而，使用循环时间T计算周边设备17的消耗电能E0(步骤S7)。

在每次从下限值tmin到上限值tmax，通过预定的增量Δt对时间常数tf、ts进行变更时进行这些计算，得到表示加减速时间常数tf、ts和总消耗电能E以及循环时间T的关系的特性(图5)。根据该特性选择总消耗电能E达到最小的时间常数tf、ts，并将其设定为目标时间常数ta(步骤S11)。使用该目标时间常数ta决定执行加工程序时的加减速时间tf1、ts1以及恒定速度时间tf2、ts2。根据所决定的加减速时间tf1、ts1以及恒定速度时间tf2、ts2，控制各电动机10f、10s，进行工件14的加工。

根据本实施方式可以起到以下的作用效果。

(1)以加减速时间常数tf、ts作为参数，预测计算出电动机10f、10s的消耗电能Em，并且对周边设备17的单位时间内的消耗功率P0乘以循环时间T预测计算出周边设备17的消耗电能E0，设定使这些消耗电能Em、E0的总和即总消耗电能E达到最小的目标时间常数ta，根据目标时间常数ta控制电动机10f、10s的加减速。由此，可以考虑机床全体的总消耗电能Em来最佳地控制电动机10f、10s的驱动。

(2)以使总消耗电能E达到最小的方式控制电动机10f、10s，因此可以将消耗电能E抑制到最小限度，可以最大限度地发挥节电的效果。

在上述实施方式中，通过加减速时间常数选择部28，以使总消耗电能E达到最小的方式设定了目标时间常数ta，但时间常数的设定不限于此。例如，也可以如图7所示设定总消耗电能E的限制值Ea，把该限制值Ea内的时间常数Δta中的、循环时间T为最短的时间常数设定为目标时间常数ta。由此，能够在抑制消耗电能E的同时，以短的循环时间T进行加工动作，可以高效地进行工件14的加工。

还可以把表示加减速时间常数tf、ts与总消耗电能E的关系的函数设为f(t)，把表示加减速时间常数tf、ts和循环时间T的关系的函数设为g(t)，把相加这些函数而得到的函数设为P(t)，把P(t)达到最小的时间常数tf、ts设定为目标时间常数ta。此时，可以使用系数k1、k2(＞0)通过下面的式(XI)计算P(t)。

P(t)＝k1×f(t)+k2×g(t)(XI)

关于上式(XI)的系数k1、k2，可以准备例如图8所示的组合，根据目的来选择某一个。由此，可以改变总消耗电能E和循环时间T的权重，使P(t)成为最佳值。在图5的ta和图7的ta之间，可以通过操作员选择时间常数。

与进给轴10f相比，主轴电动机10s在循环时间T内的恒定旋转时间ts2的比例大。考虑到这一点，在相对于恒定旋转时间ts2可以忽视加减速时间ts1的情况下，可以把主轴电动机10s视为以恒定功率进行动作的设备，在作为第一消耗电能计算单元的第一消耗电能计算部25中，仅计算进给轴电动机10f的消耗电能Em。因此，可以在作为第二消耗电能计算单元的第二消耗电能计算部26中，计算主轴电动机10s的消耗电能Em，包含在周边设备的电能E0中。不仅是液压泵或主轴电动机10s，还可以把以恒定功率进行动作的其它设备(例如传感器或灯等)包含在周边设备17中。在本申请的进给轴驱动用电动机中，不仅包含轴向的进给速度变化的进给轴电动机10f，还包含旋转进给速度变化的主轴电动机10s。

在上述实施方式中，以使总消耗电能E达到最小的方式(图5)、或者以在总消耗电能E在设定值Ea以下的范围内使循环时间T成为最短的方式(图7)，控制电动机10f、10s的加减速，但如果根据第一消耗电能Em和第二消耗电能E0的总和E决定目标时间常数ta，根据该时间常数ta控制电动机10f、10s，则电动机控制单元的结构不限于此。也可以仅控制电动机10f、10s的加速或减速。

在上述实施方式中，把进给轴速度以及主轴速度到达设定速度vf、vs之前所需要的时间作为加减速时间常数来计算第一消耗电能Em，但还可以使用与进给轴电动机10f的加速时间以及减速时间的至少一方具有相对关系的其它时间常数来计算第一消耗电能Em。根据循环时间T计算出第二消耗电能E0，但循环时间T的计算根据加工程序而不同。因此，作为循环时间计算单元的循环时间计算部24的结构也不限于上述结构。

在上述实施方式中，使用在数据设定部21中预先设定的各种数据，计算并预测与加减速时间常数tf、ts对应的总消耗电能以及循环时间，但还可以实际地执行加工程序，在总消耗电能以及循环时间的计算中使用实测数据。

在以上的实施方式中，在加工中心中应用了本发明实施方式的控制装置，但在具有进给轴驱动用电动机的其它机床中也可以同样应用本发明的控制装置。

根据本发明，根据进给轴驱动用电动机的消耗电能和以恒定功率进行动作的设备的消耗电能的总和，决定与进给轴驱动用电动机的加速时间以及减速时间的至少一方具有相对关系的目标时间常数，根据该目标时间常数控制进给轴驱动用电动机，因此可以最佳地抑制机床全体的消耗电能。

以上，与最佳实施方式相关联地说明了本发明，但本领域技术人员应能理解，在不超出后述的请求专利保护的范围的公开范围的情况下，可以进行各种修正以及变更。

Claims

1.一种机床控制装置，其特征在于，

具备：

循环时间计算单元(24)，其计算工件的加工循环时间；

第一消耗电能计算单元(25)，其将时间常数作为参数来计算进给轴驱动用电动机的消耗电能；

第二消耗电能计算单元(26)，其根据由所述循环时间计算单元计算出的循环时间，计算以恒定功率进行动作的设备的消耗电能；以及

电动机控制单元(27；28；29)，其根据所述第一消耗电能计算单元计算出的所述消耗电能和通过所述第二消耗电能计算单元计算出的所述消耗电能的总和，决定与所述进给轴驱动用电动机的加速时间以及减速时间中的至少一方具有相对关系的目标时间常数，根据该目标时间常数控制所述进给轴驱动用电动机的加速以及减速中的至少一方。

2.根据权利要求1所述的机床控制装置，其特征在于，

所述电动机控制单元，以所述第一消耗电能计算单元计算出的所述消耗电能和所述第二消耗电能计算单元计算出的所述消耗电能的总和成为最小的方式，控制所述进给轴驱动用电动机的加速以及减速中的至少一方。

3.根据权利要求1所述的机床控制装置，其特征在于，

所述电动机控制单元，在所述第一消耗电能计算单元计算出的所述消耗电能和所述第二消耗电能计算单元计算出的所述消耗电能的总和为设定值以下的范围内，以所述循环时间计算单元计算出的所述循环时间成为最短的方式，控制所述进给轴驱动用电动机的加速以及减速中的至少一方。

4.根据权利要求1～3的任意一项所述的机床控制装置，其特征在于，

所述设备是通过来自电源的功率驱动的液压泵。