CN104741962B - 工具重心位置推断装置及机床 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种工具重心位置推断装置及机床。根据工具的工具惯性及工具重量数据、规定的工具形状模型的形状数据与工具惯性的关系式及上述形状数据与工具重量的关系式，计算形状数据的值并推断工具形状，计算工具的重心位置。
Description
技术领域
本发明涉及推断工具的重心位置的工具重心位置推断装置与使用所推断的工具重心位置的机床。
背景技术
以往，已知具有根据所安装的工具的重量改变工具更换装置的动作速度的功能的机床。在这种机床中，通过利用改变工具更换装置的动作速度的功能以最适的速度进行工具更换装置的动作，能抑制对机械的冲击或马达发热，并以充分的速度驱动机床。
另外，还已知具有根据主轴旋转时的加速度推断工具安装时主轴的惯性的功能的机床。在这种机床中，通过具有推断主轴的惯性的功能，能根据工具的惯性适当地控制主轴的动作。
作为现有技术，在日本特开平11-188557号公报中公开了下述装置：在更换臂方式的工具更换装置中，检测对使把持工具的更换臂旋转必要的驱动转矩，根据该驱动转矩推断工具的重量，通过基于所推断的工具的重量自动设定更换臂的动作速度，实现工具更换时间的缩短。
在日本特开平05-138502号公报中公开了下述数值控制装置：在向主轴旋转马达供给一定电力时，检测直到主轴旋转速度到达某设定值的时间，计算主轴的惯性，与主轴的旋转速度指令值比较，进行主轴可否旋转的判断。
在日本特开2013-186545号公报中公开了下述主轴定位装置：根据对马达的速度磁通密度指令、磁通密度推断值及马达的速度推断主轴的惯性，根据所推断的惯性改变对马达的输出指令值。
在日本特开平11-188557号公报那样的、根据工具重量改变机械的动作速度的装置中，能抑制对机械的冲击或马达发热地进行驱动，但存在无法只利用工具的重量信息正确地推断对机械的冲击或对马达的负荷的情况。
另外，在日本特开平05-138502号公报、日本特开2013-186545号公报所公开的装置中，能计算主轴等的惯性，控制主轴的马达等的动作速度，但即使该装置，也存在无法只利用主轴等的惯性信息正确地推断对机械的冲击或对马达的负荷的场合。
为了更正确地推断对机械的冲击或对马达的负荷，优选不仅使用工具重量或惯性，还使用工具的重心位置的信息。但是，用户预先计测或计算工具的一个个重心位置花费时间与劳力，存在难以在适当地设定机床的动作时使用工具的重心位置数据。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供能推断机床的工具的重心位置，并用于机床的适当的动作设定的工具重心位置推断装置及机床。
本发明的工具重心位置推断装置具有存储工具的工具惯性及工具重量数据的数据存储单元、存储规定的工具形状模型的形状数据与工具惯性的关系式及上述形状数据与工具重量的关系式的关系式存储单元、根据上述数据存储单元所存储的工具的工具惯性及工具重量与上述关系式存储单元所存储的上述关系式计算上述形状数据的值的计算单元、根据由上述计算单元计算的上述形状数据的值推断工具形状的工具形状推断单元、以及根据由上述工具形状推断单元推断的工具形状计算工具的重心位置的工具重心位置计算单元。
通过根据工具惯性及工具重量计算工具形状模型的形状数据的值，在根据形状数据的值推断工具形状后计算工具的重心位置，与只根据工具重量数据推断机床动作时所施加的冲击的情况比较，能更正确地进行推断。
上述工具形状模型包括每个工具共通的工具支架部、每个工具直径及高度不同的圆柱部。
作为工具形状模型，通过假定为由工具支架部与圆柱部构成地推断工具形状，能根据工具惯性及工具重量的数据推断工具重心位置。
上述工具形状模型包括每个工具共通的工具支架部、每个工具直径及高度不同的圆柱部、每个工具所不同的刀具部，除了上述工具惯性及上述工具重量，还根据上述工具的工具长度及工具直径数据计算上述工具形状模型的形状数据的值。
作为工具形状模型，通过除了工具支架部与圆柱部，还包括刀具部，除了工具惯性、工具重量数据，还根据工具长度及工具直径数据推断工具形状，能更正确地推断工具形状及工具重心位置。
本发明的机床具有主轴、使该主轴旋转的主轴马达，具有存储上述机床的上述主轴的惯性的机床数据存储单元、检测上述主轴马达的负荷转矩的转矩检测单元、检测上述主轴的旋转的角加速度的角加速度检测单元、从根据上述转矩检测单元检测的负荷转矩与上述角加速度检测单元检测的角加速度推断的、安装有工具的主轴的惯性，减去存储于上述机床数据存储单元的、未安装工具的主轴的惯性，从而推断工具的工具惯性的工具惯性推断单元、存储上述工具的工具重量数据及上述工具惯性的数据存储单元、存储规定的工具形状模型的形状数据与工具惯性的关系式及上述形状数据与工具重量的关系式的关系式存储单元、根据上述数据存储单元所存储的工具的工具惯性及工具重量与上述关系式存储单元所存储的上述关系式计算上述形状数据的值的计算单元、根据由上述计算单元计算的上述形状数据的值推断工具形状的工具形状推断单元、以及根据由上述工具形状推断单元推断的工具形状计算工具的重心位置的工具重心位置计算单元。
通过根据主轴马达的负荷转矩与主轴的角加速度推断工具惯性，能提供不直接输入工具惯性数据地推断工具形状或工具重心位置的机床。
上述工具形状模型包括每个工具共通的工具支架部、每个工具直径及高度不同的圆柱部。
通过作为工具的工具形状模型，假定为包括工具支架部与圆柱部地推断工具形状，能提供根据工具惯性及工具重量的数据推断工具重心位置的机床。
上述工具形状模型包括每个工具共通的工具支架部、每个工具直径及高度不同的圆柱部、每个工具所不同的刀具部，除了上述工具惯性及上述工具重量，还根据上述工具的工具长度及工具直径数据计算上述工具形状模型的形状数据的值。
作为工具的工具形状模型，除了工具支架部与圆柱部，还包括刀具部，通过除了工具惯性、工具重量数据，还根据工具长度及工具直径数据推断工具形状，能提供更正确地推断工具形状及工具重心位置的机床。
具备能在工具把持部保持相对于上述主轴装卸的多个工具的工具箱，在上述工具把持部上标记能互相识别的识别符号，具备与上述识别符号对应地存储由上述工具形状推断单元推断的工具形状的工具形状数据存储单元。
通过在工具上标记能互相识别的识别符号，推断工具形状并与识别符号对应，能制成每一个工具的识别符号的工具形状数据。
具备能在工具把持部保持相对于上述主轴装卸的多个工具的工具箱，在上述工具把持部上标记能互相识别的识别符号，与上述识别符号对应地存储由上述工具重心位置计算单元计算的工具的重心位置。
通过推断工具重心位置并与工具的识别符号对应，能制成每一个工具的识别符号的工具重心位置数据，能根据该工具重心位置数据适当地设定工具更换装置的动作。
具有在由上述工具形状推断单元推断的上述工具形状超过预定的形状的范围的情况下，显示消息的消息显示功能或发出警告的警报功能。
由工具形状推断单元推断的工具形状超过预定的限制尺寸的情况下，通过显示消息或产生警报，能提前防止工具干涉或机械故障。
具有对由上述工具形状推断单元推断的上述工具形状与上述数据存储单元所存储的上述工具的上述工具重量数据及上述工具惯性进行比较的工具形状比较单元、在由上述工具形状比较单元得到的比较结果的差异为一定以上的情况下，显示消息的消息功能或发出警告的警报功能。
在推断工具形状时，通过将与数据存储单元所存储的、前一次推断时的工具形状的变化报告给用户，能使用户确认工具是否改变，告知用户在工具或机床上存在哪种异常。
本发明通过具备以上的结构，能提供能推断机床的工具的重心位置，并用于机床的适当的动作设定的工具重心位置推断装置及机床。
附图说明
本发明的上述及其他目的及特征从参照附图的以下的实施例的说明中变得明确。在这些图中：
图1A-1C 是在本发明的一实施方式中使用的工具的概略图。
图2是表示本发明的一实施方式的工具形状模型的图。
图3是表示本发明的一实施方式的另一工具形状模型的图。
图4是表示本发明的一实施方式的机床的一个例子的图。
图5是具备应用本发明的一实施方式的旋转式工具箱的工具更换装置的图。
具体实施方式
首先，对根据工具的惯性与工具重量推断工具形状，计算重心位置的方法进行说明。图1A-1C 表示几个种类的工具的概略图，图1A表示碾磨工具11，图 1B表示钻头工具12，图1C表示铣刀工具13。任一个工具都具备大致相同形状的工具支架部14。另外，在碾磨工具11及钻头工具12的前端部安装刀具部16。
在此，安装于工具支架部14的部位根据工具的种类，高度或宽度不同，但碾磨工具11、钻头工具12的刀具部16安装部分、铣刀工具13任一个都普遍为大致圆柱形状。以下，将该大致圆柱形状的部分称为圆柱部15。另外，碾磨工具11、钻头工具12的刀具部16的重量及绕旋转轴的惯性比其他部分小得多，因此，在大致推断工具重心位置时，可以忽略刀具部16地进行计算。
这样，图1A-1C 所示的碾磨工具11、钻头工具12、铣刀工具13均能考虑为图 2所示那样的包括工具支架21与圆柱部22的工具形状模型。
接着，使用该工具形状模型推断工具的形状。
当使圆柱部22的密度为ρ、使半径为r、使高度为h时，圆柱部22的重量Mc、绕旋转轴的惯性Ic如下。
Mc＝ρπr2h (1)
另外，当使工具整体的重量为M、使绕旋转轴的惯性为I、使工具支架部 21的重量为Mt、使绕旋转轴的惯性为It时，M与I如下。
M＝Mt+Mc (3)
I＝It+Ic (4)
在此，工具支架部21是共通部分，因此，通过预先测定详细的尺寸及重量，能预先确定Mt、It的值。
根据这些式子，r与h如下那样求得。
这样，能求出圆柱部22的r与h，推断工具的形状。另外，其中，工具的圆柱部22的密度ρ已知来推断工具形状，但在密度ρ不明确的情况下，也能工具的高度是h，作为实际的工具的高度等已知地进行r及ρ的计算。
接着，根据这样推断的工具形状推断工具的重心位置。
当使从工具的拉杆前端到工具支架部21的重心的距离为Gt、使从工具的拉杆前端到圆柱部22的重心的距离为Gc时，以下式求出到使工具支架部21 与圆柱部22合在一起的工具整体的重心的距离G。
其中，工具支架部21在全部的工具中是共通的，作为共通的值预先定出 Gt的值。另外，就圆柱部22的重心位置Gc、重量Mc而言，当使工具支架部 21的长度为ht时，为以下。
Mc＝M-Mt (9)
由此，能根据推断的工具形状推断工具整体的重心位置。
在以上的方法中，作为工具整体的重心位置的推断方法，忽略工具的刀具部形状地进行工具形状的推断，但在除了工具重量与工具惯性，还具有作为刀具部的直径的工具直径与作为到刀具部的前端的长度的工具长度数据的情况下，通过使用包括刀具部的模型，能更正确地进行工具整体的重心位置的推断。
在该情况下，使用图3所示的工具形状模型推断工具整体的重心位置。另外，31是工具支架部，32是圆柱部。
刀具部33的重量Mk、绕旋转轴的惯性Ik当使刀具部33的直径为R、使工具长度为L时，如下。
Mk＝ρkπR2(L-ht-h)
并且，使用这些重量Mk、绕旋转轴的惯性Ik，M与I如下。
M＝Mt+Mc+Mk (11)
I＝It+Ic+Ik (12)
使用这样求出的M、I的值，通过与图2的工具形状模型的情况相同地求出h、r，进行工具形状的推断，从而能求出工具的各部分的重心位置与重量，并推断工具整体的重心位置。
这样，通过使用推断工具的重心位置的装置，能根据工具惯性与工具重量等基本数据推断工具的重心位置。
另外，在将该工具重心位置推断装置安装于机床的情况下，代替输入工具惯性，能根据主轴马达的转矩与角速度推断工具惯性的值。接着，对该工具惯性的推断方法进行说明。
图4是表示机床的一个例子的图，41是工具，42是主轴，43是主轴马达， 44是主轴旋转轴。通过在主轴42上安装工具41，利用主轴马达43进行旋转来进行加工。
首先，根据主轴42旋转时的、主轴马达4的转矩T与角速度α推断绕主轴42的工具41的惯性。当使主轴42单体的惯性为Is、使工具的惯性为I时，下式成立。
T＝(Is+I)α (13)
这样，能够推断工具41绕主轴42的惯性。
即使在主轴马达43与主轴42之间具有减速功能的机床中，通过在主轴马达43的转矩上乘以减速比，能够求出施加在主轴上的转矩，能使用该转矩的值进行工具惯性的推断。
这样推断的工具形状或工具重心位置通过作为一个例子如下那样使用，能适当地设定机床的动作。
图5是具备旋转式工具箱的工具更换装置，51是工具箱，52是安装于工具箱51的工具，53是能把持工具52的工具把持部53。就安装于工具箱51 的工具52而言，预先利用之前说明的推断方法推断工具形状、工具重心位置，与把持工具52的工具箱51的工具把持部53所标记的工具编号对应地作为工具形状数据、工具重心位置数据存储。
并且，能根据所存储的工具52的工具形状数据或工具重心位置数据、各工具52的重量及从工具箱51的旋转中心到工具重心位置的距离，计算绕旋转轴的惯性。通过根据绕旋转轴的惯性改变工具箱51的旋转速度，能防止工具 52脱落，以充分的速度使工具箱51旋转。
另外，在根据工具重心位置推断装置推断工具的形状时，也能预先确定作为工具的形状所容许的范围，在所推断的工具的形状超过范围的情况下，利用未图示的显示装置显示报告工具的形状超过规定范围的内容的消息或者利用未图示的灯或扬声器，以光或声音发出警告。由此，能提前防止由于勉强地使超过了规定范围的工具进行动作而产生与周围的干涉，或由于干涉而产生机械故障的情况，或者提前发现工具或机械异常。
另外，预先确定作为工具的形状所容许的范围，在代替推断的工具的形状超过范围的情况下，也能在前一次推断并存储的工具形状数据或工具重心位置数据与这一次推断的工具形状数据或工具重心位置数据之间产生容许范围以上的差异的情况下，利用未图示的显示装置显示报告工具形状超过规定范围的内容的消息、或从未图示的灯或扬声器，利用光或声音发出警告。即使在该情况下，也能提前防止由于勉强地使超过了规定范围的工具进行动作而产生与周围的干涉、或由干涉而产生机械故障，或提前发现工具或机械异常。
在本实施方式中，对作为工具形状模型包括工具支架部与圆柱部、以及包括工具支架部、圆柱部与刀具部这两种进行说明，但作为工具形状模型未限定于这两种，也能适当变形。例如，在可使用的工具被限制的情况下等，通过使用共通部的比例高的工具形状模型，能进行更正确的工具重心位置的推断。
Claims (10)
1.一种工具重心位置推断装置，其特征在于，具有：
存储工具的工具惯性及工具重量数据的数据存储单元；
存储规定的工具形状模型的形状数据与工具惯性的关系式及上述形状数据与工具重量的关系式的关系式存储单元；
根据上述数据存储单元所存储的工具的工具惯性及工具重量与上述关系式存储单元所存储的上述关系式计算上述形状数据的值的计算单元；
根据由上述计算单元计算的上述形状数据的值推断工具形状的工具形状推断单元；以及
根据由上述工具形状推断单元推断的工具形状计算工具的重心位置的工具重心位置计算单元。
2.根据权利要求1所述的工具重心位置推断装置，其特征在于，
上述工具形状模型包括每个工具共通的工具支架部、每个工具直径及高度不同的圆柱部。
3.根据权利要求1所述的工具重心位置推断装置，其特征在于，
上述工具形状模型包括每个工具共通的工具支架部、每个工具直径及高度不同的圆柱部、以及每个工具所不同的刀具部，
除了上述工具惯性及上述工具重量，还根据上述工具的工具长度及工具直径数据计算上述工具形状模型的形状数据的值。
4.一种机床，其具有主轴及使该主轴旋转的主轴马达，该机床的特征在于，具有：
存储上述机床的上述主轴的惯性的机床数据存储单元；
检测上述主轴马达的负荷转矩的转矩检测单元；
检测上述主轴的旋转的角加速度的角加速度检测单元；
从根据上述转矩检测单元检测的负荷转矩与上述角加速度检测单元检测的角加速度推断的、安装有工具的主轴的惯性，减去存储于上述机床数据存储单元的、未安装工具的主轴的惯性，从而推断工具的工具惯性的工具惯性推断单元；
存储上述工具的工具重量数据及上述工具惯性的数据存储单元；
存储规定的工具形状模型的形状数据与工具惯性的关系式及上述形状数据与工具重量的关系式的关系式存储单元；
根据上述数据存储单元所存储的工具的工具惯性及工具重量与上述关系式存储单元所存储的上述关系式计算上述形状数据的值的计算单元；
根据由上述计算单元计算的上述形状数据的值推断工具形状的工具形状推断单元；以及
根据由上述工具形状推断单元推断的工具形状计算工具的重心位置的工具重心位置计算单元。
5.根据权利要求4所述的机床，其特征在于，
上述工具形状模型包括每个工具共通的工具支架部、每个工具直径及高度不同的圆柱部。
6.根据权利要求4所述的机床，其特征在于，
上述工具形状模型包括每个工具共通的工具支架部、每个工具直径及高度不同的圆柱部、以及每个工具所不同的刀具部，
除了上述工具惯性及上述工具重量，还根据上述工具的工具长度及工具直径数据计算上述工具形状模型的形状数据的值。
7.根据权利要求4～6任一项所述的机床，其特征在于，
具备能在工具把持部保持相对于上述主轴装卸的多个工具的工具箱，
在上述工具把持部上标记能互相识别的识别符号，
具备与上述识别符号对应地存储由上述工具形状推断单元推断的工具形状的工具形状数据存储单元。
8.根据权利要求4～6任一项所述的机床，其特征在于，
具备能在工具把持部保持相对于上述主轴装卸的多个工具的工具箱，
在上述工具把持部上标记能互相识别的识别符号，
与上述识别符号对应地存储由上述工具重心位置计算单元计算的工具的重心位置。
9.根据权利要求4～6任一项所述的机床，其特征在于，
具有在由上述工具形状推断单元推断的上述工具形状超过预定的形状的范围的情况下，显示消息的消息显示功能或发出警告的警报功能。
10.根据权利要求4～6任一项所述的机床，其特征在于，
具有：
对由上述工具形状推断单元推断的上述工具形状与上述数据存储单元所存储的上述工具的上述工具重量数据及上述工具惯性进行比较的工具形状比较单元；以及
在由上述工具形状比较单元得到的比较结果的差异为一定以上的情况下，显示消息的消息功能或发出警告的警报功能。
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