JP2002175104A

JP2002175104A - 異常負荷監視機能付き工作機械

Info

Publication number: JP2002175104A
Application number: JP2000370046A
Authority: JP
Inventors: Hidetsugu Kawai; 秀貢河合
Original assignee: Murata Machinery Ltd
Current assignee: Murata Machinery Ltd
Priority date: 2000-12-05
Filing date: 2000-12-05
Publication date: 2002-06-21

Abstract

(57)【要約】【課題】軸移動開始時等における異常検知の誤動作が
防止できる異常負荷監視機能付き工作機械を提供する。【解決手段】可動部３を移動させる駆動源４に対し移
動指令ｓを与え、この移動指令ｓと実際の可動部４の位
置との偏差Δｓを監視できる軸移動制御手段８を設け
る。駆動源８の負荷を監視し負荷が負荷設定値を超える
場合に異常と判定する異常負荷判定手段９を設ける。異
常負荷判定手段９は、例えば衝突判定手段９Ａとする。
偏差Δｓが設定偏差よりも大きい場合に、異常負荷判定
手段９の判定処理を無効にする無効化手段１０を設け
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、旋盤等の狭義の
工作機械の他に、パンチプレス等の板材加工機を含む広
義の工作機械、さらにローダ等の周辺機械を含む工作機
械に関し、それらの異常負荷監視機能を備えた工作機械
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】旋盤等の工作機械において、ガントリロ
ーダ等の搬送装置を備え、無人で自動運転させるものが
多く使用されている。しかし、自動化が進み、複雑な搬
送装置を付加すると、搬送装置と工作機械の送り台等と
の干渉箇所が増え、衝突が起きる恐れが生じる。そのた
め、従来、このような衝突が生じた場合の安全対策とし
て、過負荷時に緊急停止させるものが提案されている。
すなわち、可動部の移動中に何らかの障害物に衝突した
場合、モータには異常トルクが発生し、機械に対する損
傷も大きくなる。そこで、摩擦トルク等の外乱トルクを
監視し、この外乱トルクが所定の異常判定レベルになる
と、機械を停止させるようにしている。また、衝突の検
出の他に、工具摩耗の検出等のために、異常負荷の監視
を行うものも提案されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし軸が動き出すと
きの静止摩擦力と、動き出してからの摩擦力は異なる。
特に、朝一番に動く場合には、潤滑油が活性化していな
いために、噛み込みにより瞬間的に負荷が大きくなるこ
とがある。これは、異常な負荷には違いないが、機械を
衝突から保護するという機能として機械をモニターして
いる上では誤動作となる。

【０００４】この発明の目的は、軸移動開始時等におけ
る異常検知の誤動作が防止できる異常負荷監視機能付き
工作機械を提供することである。この発明の他の目的
は、誤検知防止のために異常負荷検出を無効にする時間
を限定し、できる限り、異常負荷判定機能を有効に働か
せることにある。この発明のさらに他の目的は、衝突判
定を行う場合における軸移動開始時の誤判定を防止でき
るようにすることである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この発明を、実施形態に
対応する図１と共に説明する。この異常負荷監視機能付
き工作機械は、可動部（３）と、この可動部（３）を移
動させる駆動源（４）と、この駆動源（４）に対し移動
指令（ｓ）を与え、この移動指令（ｓ）と実際の可動部
（３）の位置との偏差（Δｓ）を監視できる軸移動制御
手段（８）と、前記駆動源（４）の負荷を監視し負荷が
負荷設定値を超える場合に、異常と判定する異常負荷判
定手段（９）と、前記偏差が設定偏差よりも大きい場合
に、前記異常負荷判定手段（９）の判定処理を無効にす
る無効化手段（１０）とを備えたものである。この構成
によると、軸移動制御手段（８）は、駆動源（４）に対
し移動指令（ｓ）を与え、駆動源（４）を移動させる。
この間、異常負荷判定手段（９）により、駆動源（４）
の負荷が監視され、負荷が負荷設定値を超える場合に異
常と判定される。このとき、移動指令（ｓ）と実際の可
動部（３）の位置との偏差（Δｓ）が無効化手段（１
０）により監視され、前記偏差（Δｓ）が設定偏差より
も大きい場合は、無効化手段（１０）により、異常負荷
判定手段（９）の判定処理が無効にされる。この無効化
は、異常負荷判定手段（９）による負荷の監視を無効に
するようにしても、判定結果を無効にしても良い。可動
部（３）が静止状態から移動を始める場合において、朝
一番の起動時等のように、潤滑油が温まって活性化して
いないようなときは、静止摩擦力のために瞬間的に負荷
が大きくなることがある。この負荷の増大は、衝突判定
等のように、機械の通常に生じる動作に対する異常の判
定処理に対しては、ノイズとなる。しかし、このとき、
移動指令（ｓ）に対する実際の可動部（３）の位置との
偏差（Δｓ）が大きくなる。そこでこの発明は、この位
置偏差（Δｓ）を監視し、位置偏差（Δｓ）が設定偏差
よりも大きい場合には、無効化手段（１０）により、異
常負荷判定手段（９）の判定処理を無効にしている。そ
のため上記のような起動時等の通常に生じる負荷増大に
よって、異常と判定する誤判定が防止される。

【０００６】この発明において、前記移動指令（ｓ）が
前記駆動源（４）に与えられてから所定の移動初期設定
時間が経過すると、前記無効化手段（１０）の機能にか
かわらずに、前記異常負荷判定手段（９）の判定処理を
有効にする無効化解除手段（１１）を設けることが好ま
しい。潤滑油の非活性化等による静止摩擦力の極端な増
大は、移動開始時の瞬間的なときだけである。そのた
め、所定の移動初期設定時間が経過すると、無効化解除
手段（１１）により、異常負荷判定手段（９）の判定処
理を有効にすることにより、誤判定を防止しながら、で
きる限り、異常負荷判定機能を有効に働かせることがで
きる。上記の所定の移動初期設定時間は、例えば０．２
秒とすることが好ましい。

【０００７】この発明において、前記異常負荷判定手段
（９）は、機械の通常に生じる動作に対する異常を判定
する手段であれば良いが、例えば、前記可動部（３）が
衝突を生じたと判定する衝突判定手段（９Ａ）であって
も良い。衝突判定の場合、潤滑油が活性化していないと
きに、負荷監視による誤判定が生じ易いが、上記のよう
に無効化手段（１０）により位置偏差を監視して、設定
偏差よりも大きい場合に判定処理を無効化することによ
る誤判定の防止が効果的である。

【０００８】

【発明の実施の形態】この発明の一実施形態を図１およ
び図２と共に説明する。この異常負荷監視機能付き工作
機械は、機械部１と、この機械部１を制御する全体制御
手段２とで構成される。機械部１は、工作機械やその付
属の搬送装置における機構的な部分、つまり制御系を除
く部分のことである。機械部１は、可動部３と、この可
動部３を移動させる駆動源４とを備える。駆動源４は、
パルスコーダ等の位置検出器１７を有している。可動部
３は、刃物台等の送り台、または搬送装置における進退
移動する部分等である。駆動源４はサーボモータからな
り、その回転出力は、ボールねじ５を介して可動部３の
進退駆動力として伝えられる。可動部３およびその駆動
源４は、機械部１内に複数設けられるが、それら複数の
うちの一つについて説明する。

【０００９】全体制御手段２はコンピュータ式の数値制
御装置である。全体制御手段２は、その基本構成とし
て、加工プログラム６を解読して実行する主制御手段７
と、上記駆動源４を制御する軸移動制御手段８と、機械
部１に対するシーケンス制御を行うシーケンス制御手段
（図示せず）とを備える。主制御手段７は、ＮＣコード
等からなる加工プログラム６を解読し、その軸送り指令
Ｓを軸移動制御手段８に伝えると共に、シーケンス制御
指令（図示せず）を上記シーケンス制御手段に転送す
る。

【００１０】軸移動制御手段８は、フィードバック制御
式のものであり、位置制御部１２および速度・トルク制
御部１３を有する。位置制御部１２は、移動指令生成部
１４および位置偏差演算部１５を有する。移動指令生成
部１４は、加工プログラム６の軸送り指令Ｓａにより主
制御手段７から送られる指令に従って、上記軸送り指令
Ｓａの送り距離分を、パルス分配等により、時間の経過
に従って分配した移動指令ｓとして出力する。位置偏差
演算部１５は、移動指令生成部１４で出力された移動指
令ｓと、駆動源４の位置検出器１７からパルス列等で出
力される位置検出値ｆとの偏差Δｓを演算し、出力す
る。

【００１１】速度・トルク制御部１３は、位置偏差演算
部１５で出力された偏差Δｓに対して、速度およびトル
クの制御処理を施した指令をサーボアンプ１６に出力
し、サーボアンプ１６の出力によってサーボモータから
なる駆動源４を駆動する。速度・トルク制御部１３は、
駆動源４に設けられた速度検出器からの速度フィードバ
ック信号によって速度制御を行うと共に、アンプ１６か
ら駆動源４への供給電流を検出する負荷検出手段１８の
検出負荷に応じてトルク制御を行う。すなわち、軸移動
制御手段８は、位置、速度、トルクの３重のフィードバ
ック制御を行う。速度検出器は、駆動源４に設けられた
速度検出専用のセンサを用いても良いが、位置検出器１
７としてパルスコーダが用いられている場合は、位置検
出器１７が速度検出器に兼用される。負荷検出手段１８
は、電流計等からなる。

【００１２】この実施形態の異常負荷監視機能付き工作
機械は、上記の基本構成の全体制御手段２に、異常負荷
判定手段９、無効化手段１０、および無効化解除手段１
１が設けられている。これらの手段９〜１１は、全体制
御手段２におけるシーケンス制御部の一部の機能として
設けられている。

【００１３】異常負荷判定手段９は、駆動源４の負荷検
出手段１８により得られる負荷を監視し、負荷が負荷設
定値を超える場合に、異常と判定する手段である。異常
負荷判定手段９は、例えば可動部３の衝突を判定する衝
突判定手段９Ａとされる。異常負荷判定手段９は、可動
部３が刃物台である場合は、可動部３に取付けられた工
具が摩耗や折損等を生じたことを、負荷によって判定す
る工具摩耗判定手段９Ｂであっても良い。異常負荷判定
手段９は、衝突判定手段９Ａである場合と、工具摩耗判
定手段９Ｂである場合とで、判定のための設定負荷値が
それぞれ独自の値とされる。

【００１４】無効化手段１０は、偏差演算部１５により
演算された偏差が設定偏差よりも大きい場合に、異常負
荷判定手段９の判定処理を無効にする手段である。この
無効化は、異常負荷判定手段９による負荷の監視を無効
にするようにしても、あるいは判定結果を無効にするよ
うにしても良い。無効化手段１０は、移動の全域におい
て、偏差が設定偏差よりも大きい場合に異常負荷判定手
段９の判定処理を無効にするものとしても良いが、この
実施形態では、具体的には、軸移動の開始時、つまり移
動指令ｓの出力時から、上記偏差を監視し、偏差が上記
設定偏差以下になるまで、異常負荷判定手段９の判定処
理を無効にするものとしてある。この場合に、偏差が設
定偏差以下になったことの判断については、偏差を一定
時間毎にサンプリングした結果、連続してＮ回（Ｎは自
然数）続いたら、設定偏差以下になったと判断するフィ
ルタ要素を設けても良い。

【００１５】無効化解除手段１１は、移動指令ｓが駆動
源４に与えられてから所定の移動初期設定時間が経過す
ると、無効化手段１０の機能にかかわらずに、異常負荷
判定手段９の判定処理を有効にする手段である。この有
効化の処理は、無効化手段１０の機能を停止させること
により行っても、無効化手段１０の機能は維持させ、無
効化手段１０からの指令を無視するようにしても良い。
移動初期設定時間の経過の基準となる移動指令ｓの出力
時は、一つの軸送り指令Ｓａに対して最初に送られる移
動指令ｓである。

【００１６】上記構成の作用を図２と共に説明する。図
１の可動部３を移動させる場合に、停止状態から一定の
加速度で加速し、所定の速度に達すると定速で移動さ
せ、その後、一定の加速度で減速するという台形制御を
行うとする。その場合、可動部３の摩擦抵抗による外乱
トルクのため、負荷検出手段１８で検出される駆動源４
の負荷は、一般的に図２に曲線ａで示すように、加速時
は次第に増え、定速移動時は一定の値となり、減速時は
次第に減少する曲線となる。すなわち、外乱トルクは、
速度の増減に伴った値となる。なお、曲線ａは、加速お
よび減速のためのトルクを除去した補正後の値である。
すなわち、加速に必要なトルクおよび減速に必要なトル
クを、加減速の開始時からの経過時間に応じた変化曲線
で予め設定しておき、その設定された加減速トルクを、
負荷検出手段１８の実際の検出値から差し引く。この差
し引く処理は、負荷検出手段１８で行い、補正後の負荷
値を負荷検出手段１８の出力とするようにしても、また
別の補正演算手段（図示せず）を設けて補正するように
しても良い。異常負荷判定手段９は、このように検出さ
れる負荷値を監視する。例えば衝突が生じた場合、負荷
は曲線ｂで示すように急激に上昇する。このようにして
負荷が設定負荷値Ｔ０を超えると、異常負荷判定手段９
は異常と判定する。異常負荷判定手段９が衝突判定手段
９Ａである場合は、監視負荷が設定負荷値Ｔ０を超える
と、衝突を生じたと判定する。

【００１７】負荷の値は、通常は、衝突等の異常が生じ
ない限り、曲線ａで示すように、設定負荷値Ｔ０を超え
ない。しかし、朝一番の起動時等は、潤滑油が各部に行
き渡っていなかったり、また潤滑油の温度が低くて潤滑
性能が発揮されないことなどにより、可動部３の移動開
始時に、静止摩擦が大きくて、曲線ｃで示すように、負
荷が設定負荷値Ｔ０を超える場合がある。この状況は、
衝突等の異常ではないが、そのままでは異常負荷判定手
段９は、異常であると判定してしまう。そこで、無効化
手段１０を設け、軸移動の開始時、つまり移動指令ｓの
出力時から、移動指令と実際の可動部３の位置との偏差
を監視し、偏差が設定偏差以下になるまでは、異常負荷
判定手段９の判定処理を無効にするようにしている。そ
のため、曲線ｃのような動作の場合に、異常負荷判定手
段９が異常であると誤判定することが防止される。

【００１８】移動指令は、上記のようにパルス分配等に
より、時間の経過に従って分配した移動量の指令とさ
れ、可動部３の移動が遅れると偏差が増え、可動部３が
指令通り移動すると偏差が無くなる。軸移動の開始時
は、移動指令に対して実際の可動部３の移動が遅れるた
めに偏差が大きく、ある程度移動すると、移動の遅れが
少なくなり、偏差は小さくなる。そのため、偏差を見る
ことによって、静止摩擦の影響が分かり、上記のように
偏差が設定偏差以下になってから、異常負荷判定手段９
による判定を有効にすることにより、誤判定が防止され
る。偏差が設定偏差以下になったかの判断を、上記のよ
うに連続Ｎ回続いた場合に限定するようにした場合は、
瞬間的な動作不良、いわゆる食いつき等による異常負荷
の誤検知を防ぐことができる。

【００１９】ただし、潤滑不良等の場合は、可動部３の
移動がいつまでも遅れ、偏差が設定偏差以下にならない
場合がある。このような場合、そのままでは、移動の全
域において、異常負荷判定手段９が機能しないことにな
る。そのため、衝突判定等が行えない。そこで、無効化
解除手段１１を設け、移動指令が駆動源３に与えられて
から所定の移動初期設定時間ｔ０が経過すると、無効化
手段１０の機能にかかわらずに、異常負荷判定手段９の
判定処理を有効にするようにしている。移動初期設定時
間ｔ０は、例えば０．２秒である。通常は、移動の開始
からこの程度の時間が経過すると、静止摩擦の影響がな
く、駆動源４の負荷値はある程度以下に下がっているは
ずである。したがって、移動初期設定時間ｔ０の経過後
に、偏差にかかわらずに、異常負荷判定手段９を有効に
機能させることにより、潤滑不良等で偏差が大きいまま
で移動が行われているような場合でも、衝突判定等の異
常判定を行うことができる。これにより、誤判定の問題
を生じることなく、できる限り、異常負荷判定機能を有
効に働かせることができる。

【００２０】図３ないし図５は、この衝突時トルク制御
装置を応用したローダ付き工作機械およびその制御装置
を示す。図４に示すように、工作機械本体３０は２軸の
タレット式の旋盤からなり、ローダ４０はガントリロー
ダからなる。工作機械本体３０は、ベッド３２上の主軸
３４を有する２個の主軸台３３，３３を並設し、その両
側にレール３７を介してスライドベース３６，３６を横
（Ｘ軸方向）移動自在に設置したものである。各スライ
ドベース３６は、タレット３５を割出回転可能に設置し
たタレットキャリッジ３８（図５）を前後（Ｚ軸方向）
に進退自在に搭載したものであり、これらスライドベー
ス３６の駆動およびタレットキャリッジ３８の駆動は、
各々Ｘ軸サーボモータ４ａｘ（図５）およびＸ軸サーボ
モータ４ａｚにより送りねじを介して行われる。タレッ
ト３５は周面に各種の工具３９を取付けたものである。

【００２１】ガントリーローダ４０は、ワーク台４６と
主軸チャック３４との間でワークＷの受渡しを行うもの
であり、レール４８上を走行する走行台４９に前後移動
台４７を介して昇降ロッド４１が設けてある。昇降ロッ
ド４１の下端にローダヘッド４２が設けられ、その前面
と下面にローダチャック４３が設けられている。両チャ
ック４３，４３は、互いに位置を入替え自在としてあ
る。ガントリーローダ４０の横方向（Ｘ軸方向）の走
行、前後（Ｚ軸方向）移動、および昇降（Ｙ軸方向）
は、ガントリーローダ４０に搭載されたＸ軸サーボモー
タ４ｇｘ（図３）、Ｚ軸サーボモータ４ｇｚ、およびＹ
軸サーボモータ４ｇｙで行われる。

【００２２】このガントリーローダ４０の各軸のサーボ
モータ４ｇｘ，４ｇｙ，４ｇｚ、および工作機械本体３
０の左右のタレット部３５Ｌ，３５Ｒのサーボモータ４
ａｘ，４ａｚは、図３の全体制御装置５０で制御され
る。この全体制御装置５０は、図１で説明した全体制御
手段２である。この全体制御装置５０に、各サーボモー
タ４ｇｘ，４ｇｙ，４ｇｚ，４ａｘ，４ａｚ毎に、前記
実施形態の異常負荷検知手段９、および無効化手段１
０，無効化解除手段（図３には図示を省略）が設けられ
ている。この場合、工作機械本体３０のスライドベース
３６，タレットキャリッジ３８、ならびにローダ４０の
走行台４９，前後移動台４７，および昇降ロッド４１
が、図１の例における可動部３となる。

【００２３】このようにローダ付きの２軸旋盤からなる
工作機械本体３０に応用することにより、ローダ４０と
工作機械本体３０との干渉箇所の多い複雑な構成であり
ながら、衝突時の損傷が防止でき、またその誤検知を防
止することができる。

【００２４】

【発明の効果】この発明の異常負荷監視機能付き工作機
械は、可動部と、この可動部を移動させる駆動源と、こ
の駆動源に対し移動指令を与え、この移動指令が示す可
動部の目標位置とこの移動指令による実際の可動部の位
置との偏差を監視できる軸移動制御手段と、前記駆動源
の負荷を監視し負荷が負荷設定値を超える場合に、異常
と判定する異常負荷判定手段と、前記偏差が設定偏差よ
りも大きい場合に、前記異常負荷判定手段の判定処理を
無効にする無効化手段とを備えたものであるため、軸移
動開始時等における異常検知の誤動作を防止することが
できる。前記移動指令が前記駆動源に与えられてから所
定の移動初期設定時間が経過すると、前記無効化手段の
機能にかかわらずに、前記異常負荷判定手段の判定処理
を有効にする無効化解除手段を設けた場合は、誤検知防
止のために異常負荷検出を無効にする時間を限定し、で
きる限り、異常負荷判定機能を有効に働かせることがで
きる。前記異常負荷判定手段として、前記可動部が衝突
を生じたと判定する衝突判定手段を設けた場合は、衝突
判定を行う場合における機械起動初期等の軸移動開始時
の誤判定を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施形態の概念構成を示すブロッ
ク図である。

【図２】その定常時および衝突発生時の負荷と設定負荷
値の関係を示す説明図である。

【図３】同実施形態にかかる異常負荷監視機能付き工作
機械を、ローダ付き工作機械とした具体例のブロック図
である。

【図４】同ローダ付き工作機械の正面図である。

【図５】その工作機械の部分平面図である。

【符号の説明】

１…機械部２…全体制御手段３…可動部４…駆動源６…加工プログラム７…主制御手段８…軸移動制御手段９…異常負荷判定手段９Ａ…衝突判定手段９Ｂ…工具摩耗判定手段１０…無効化手段１１…無効化解除手段１２…位置制御部１４…移動指令生成部１５…位置偏差演算部１７…位置検出器１８…負荷検出手段Ｓａ…軸送り指令ｓ…移動指令 Δｓ…偏差

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】可動部と、この可動部を移動させる駆動
源と、この駆動源に対し移動指令を与え、この移動指令
と実際の可動部の位置との偏差を監視できる軸移動制御
手段と、前記駆動源の負荷を監視し負荷が負荷設定値を
超える場合に異常と判定する異常負荷判定手段と、前記
偏差が設定偏差よりも大きい場合に、前記異常負荷判定
手段の判定処理を無効にする無効化手段とを備えた異常
負荷監視機能付き工作機械。
【請求項２】前記移動指令が前記駆動源に与えられて
から所定の移動初期設定時間が経過すると、前記無効化
手段の機能にかかわらずに、前記異常負荷判定手段の判
定処理を有効にする無効化解除手段を設けた請求項１記
載の異常負荷監視機能付き工作機械。
【請求項３】前記異常負荷判定手段として、前記可動
部が衝突を生じたと判定する衝突判定手段を設けた請求
項１または請求項２記載の異常負荷監視機能付き工作機
械。