JP2004150831A

JP2004150831A - 出力検出装置及びモータ出力制御方法

Info

Publication number: JP2004150831A
Application number: JP2002313380A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Mizuno; 裕水野
Original assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Current assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Priority date: 2002-10-28
Filing date: 2002-10-28
Publication date: 2004-05-27

Abstract

【課題】マシニングセンタのモータの回転トルク、電流、及びワーク反力等を検出しモータ出力の制御を行う。
【解決手段】マシニングセンタ１の出力検出装置において、刃具１３を回転駆動させるモータ３のモータ出力軸５と、前記刃具１３を接合する接続部１１との間に、前記モータ３の回転トルクを検出するトルク検出部７を設ける。前記トルク検出部７は、遊星ギアにより前記モータ３の回転トルクの反力を荷重として検出できる機構にし、前記荷重を荷重センサ９により検出する。この検出した回転トルク、ワーク反力Ｆ等の信号により適正なモータ制御信号を作成し加工を行う。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、出力検出装置及びモータ出力制御方法に係り、さらに詳細には、加工機の加工精度、工具の寿命等を管理するため、モータ電流、回転トルク、及びワーク反力を検出する出力検出装置及び検出した信号に基づきモータの出力を制御するモータ出力制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、工具の回転により加工を行う加工機（例えば、マシニングセンタ）は、加工精度と工具の寿命を管理するための簡便で定量的な方法がなかった。このため、現場の作業者の経験により管理が行われていた。そして、管理を適正に行うには、この作業者の長い経験が必要であった。
【０００３】
上述の管理方法として、例えば作業者はワークの加工を行う前に、ワークの材質、板厚等を参考にして、加工機に適正な加工条件を経験上から設定している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来のマシニングセンタ等の加工機の管理方法は、以下のような課題があった。
【０００５】
一般に、加工精度、工具の寿命等を適正に管理するには、工具を回転させるモータ出力を適正にする必要がある。このモータ出力は、モータ電圧にモータ電流を乗算した値に関係する。このうち、電圧は一般的に一定で制御されるため、モータ出力はモータ電流に比例する。
【０００６】
一方、モータ出力は、回転トルク負荷、ワーク反力による負荷抵抗、熱による損失、振動による損失、音による損失等に影響される。ここで、定常状態では、主に回転トルク負荷、ワーク反力による抵抗負荷により出力レベルが決まる。このため、回転トルク、ワーク反力の正確な検出が重要である。回転トルクを計測するセンサとして、磁歪式やトーションバーによる位相差式トルクセンサがある。
【０００７】
しかし、前者の場合、回転トルクと、ワーク反力とを検出する際、両者の区別ができないという問題があった。また、後者は、軸強度が弱くなり、加工精度に悪影響を及ぼすという問題があった。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前述のごとき問題に鑑みてなされたもので、請求項１に係る発明は、ワークに対して工具を回転させ加工を行う加工機の出力検出装置において、前記工具を回転駆動させる駆動源であるモータのモータ出力軸と、前記工具を着脱する接合部との間に、前記モータの回転トルクを検出するトルク検出部を設けたこ出力検出装置である。
【０００９】
請求項２に係る発明は、前記トルク検出部は、遊星ギアを使用することにより前記モータの回転トルクの反力を荷重として検出できる機構にし、前記荷重を荷重センサにより検出する上記出力検出装置である。
【００１０】
請求項３に係る発明は、ワークに対して工具を回転させ加工を行う加工機のモータ出力制御方法において、モータの回転トルクと、工具によるワークの加工のときに生じるワーク反力とを検出または推定し、前記回転トルクと、前記ワーク反力に基づいてコントローラが適正なモータ制御信号を設定してモータドライバに送り、前記モータのモータ出力を制御するモータ出力制御方法である。
【００１１】
請求項４に係る発明は、前記ワーク反力は、モータの回転トルクをトルク検出部により検出し、モータの電流値を検出することにより推定する上記モータ出力制御方法である。
【００１２】
請求項５に係る発明は、ワークに対して工具を回転させ加工を行う加工機のモータ出力制御方法において、モータの回転トルクをトルク検出部により検出し、工具によるワークの加工のときに生じるワーク反力をモータマウント部に設けた反力検出用の荷重センサにより検出し、前記回転トルクと前記ワーク反力とに基づいてコントローラが適正なモータ制御信号を設定してモータドライバに送り、前記モータのモータ出力を制御するモータ出力制御方法である。
【００１３】
請求項６に係る発明は、ワークに対して工具を回転させ加工を行う加工機のモータ出力制御方法において、モータの電流値を検出し、モータマウント部に設けた反力検出用の荷重センサによりワーク反力を検出し、前記モータの電流値と前記ワーク反力から回転トルクを推算して、前記回転トルクと前記ワーク反力とに基づいてコントローラが適正なモータ制御信号を設定してモータドライバに送り前記モータのモータ出力を制御するモータ出力制御方法である。
【００１４】
請求項７に係る発明は、モータ回転数を同時に検出し、前記コントローでモータ制御信号を設定する工程を含む上記モータ出力制御方法である。
【００１５】
請求項８に係る発明は、回転トルクの検出は、遊星ギアを使用することにより前記モータの回転トルクの反力を荷重として検出できる機構にし、前記荷重を荷重センサにより検出する上記モータ出力制御方法である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、本例ではワークに対して工具を回転させ加工を行う加工機はマシニングセンタ（縦型、横型を含む）を想定して説明するが、その他の加工機を含むことは当然である。
【００１７】
図１を参照する。マシニングセンタ１（マシニングセンタは公知であるのでここでは詳細な説明を省略する）は回転トルクを出力するモータ３と、このモータ３の回転トルクを伝えるためのモータ出力軸５と、このモータ出力軸５の回転トルクを検出するためのトルク検出部７と、加工用工具である刃具１３を接合（装着）する接合部１１とを備えている。
【００１８】
前記トルク検出部７は荷重センサ９を備えている。そして、モータ出力軸５と、接合部１１との間に設けられている。
【００１９】
図２を参照する。前記トルク検出部７の詳細を示したものである。ここで、図２（ａ）をトルク検出部７の正面図とした場合、図２（ｂ）はトルク検出部７の側面図である。
【００２０】
図２（ａ）、図２（ｂ）に示すように、トルク検出部７は遊星ギアを使用することにより前記モータ３の回転トルクの反力を荷重として検出できる機構にし、前記荷重を荷重センサ９により検出するようになっている。
【００２１】
すなわち、トルク検出部７はモータ出力軸５に取り付け固定された歯車２１と、前記歯車２１に噛合する歯車（遊星ギア）２３、歯車（遊星ギア）２５、及び歯車（遊星ギア）２７を備えている。さらに、歯車３１は、前記歯車２３、前記歯車２５、及び前記歯車２７に内側の歯で噛合する。
【００２２】
そして、前記歯車３１にはアーム３３が備えられている。このアーム３３には荷重センサ９が接触している。これにより、前記モータ出力軸５に固定された歯車２１が矢印ＡＲ１方向に回転すると、前記歯車２１に噛合した前記歯車２３が矢印ＡＲ２方向に回転する。同様に、前記歯車２５が矢印ＡＲ３方向に回転し、前記歯車２７が矢印ＡＲ４方向に回転する。
【００２３】
ここで、上述のように前記歯車２３、前記歯車２５、及び前記歯車２７は、前記歯車３１の内側の歯に噛合している。このため前記歯車３１には回転トルクが掛かるが、歯車３１に備えられたアーム３３が荷重センサ９に接触していることにより歯車３１は回転しない。このため前記歯車２３、前記歯車２５、及び前記歯車２７がモータ出力軸５を中心にＡＲ５方向に公転する。
【００２４】
また、前記歯車２３の回転軸２３ａ、前記歯車２５の回転軸２５ａ、及び前記歯車２７の回転軸２７ａはキャリア２９に固定されている。このキャリア２９には刃具１３が保持されている。すなわち、前記歯車２３、前記歯車２５、及び前記歯車２７がモータ出力軸５を中心に公転することによりキャリア２９が回転し刃具１３が回転する。回転トルクが、モータ出力軸５から、歯車２１、歯車２５、キャリア２９、刃具１３と伝達される時、歯車３１にはトルク反力がＡＲ６の方向にかかり、アーム３３を介して荷重センサ９にトルク荷重がかかる。この機構により、正確なモータの回転トルクを荷重センサ９にかかる荷重から求めることができる。
【００２５】
図３に、モータ３のトルク信号とモータ電流とからワークのワーク反力を推定し、コントローラ３５でモータ出力を制御する構成例を示す。
【００２６】
すなわち、上述のように、マシニングセンタ１はモータ３と、モータ出力軸５と、荷重センサ９を備えたトルク検出部７と、接合部１１と、刃具１３とを備えている。刃具１３はワークＷを、例えば孔開け加工する。このとき、ワークＷからのワーク反力Ｆが生じる。
【００２７】
コントローラ３５は前記トルク検出部７からトルク信号を読み込む。また、電流センサ（図示しない）からモータ３の電流信号を読み込む。そして、前記トルク信号と、前記電流信号からワーク反力Ｆを推定する。そして、トルク信号、電流信号、及びワーク反力Ｆを参照し、適正なモータの制御信号を生成して、ドライバ３７に送る。ドライバ３７は受け取った制御信号に基づきモータをドライブする。この結果、適正にワークＷを孔開け加工（例えば、加工精度の向上）することができる。また、刃具（工具）１３の寿命等を適正にすることができる。
【００２８】
図４に、モータ３の回転トルクと、モータマウント部３９に設けた反力検出用の荷重センサ４１により検出したワーク反力Ｆとにより、コントローラ３５でモータ出力を制御する構成例を示す。
【００２９】
マシニングセンタ１は、モータ３と、モータ出力軸５と、荷重センサ９を備えたトルク検出部７と、接合部１１と、刃具１３とを備えている。刃具１３はワークＷを、例えば孔開け加工する。このとき、ワークＷからのワーク反力Ｆが生じる。このワーク反力Ｆを、マウント部３９とモータ３との間に設けた荷重センサ４１により検出する。また、前記トルク検出部７はモータ３の回転トルクを検出する。これにより、回転トルクと、ワーク反力Ｆとを分離して計測することができる。
【００３０】
コントローラ３５は前記トルク検出部７からトルク信号を読み込む。また、マウント部３９と、モータ３との間に設けた荷重センサ４１により検出したワーク反力Ｆを読み込む。そして、回転トルク信号、及びワーク反力Ｆを参照して適正なモータ３の制御信号を生成して、ドライバ３７に送る。ドライバ３７は受け取った制御信号に基づきモータをドライブする。この結果、適正にワークＷを孔開け加工することができる。
【００３１】
図５に、モータ３の電流値と、マウント部３９に設けた反力検出用の荷重センサ４１により検出したワーク反力Ｆとにより、モータ３の回転トルクを推算して、コントローラ３５でモータ３を制御する構成例を示す。
【００３２】
上述のように、マシニングセンタ１は、モータ３と、モータ出力軸５と、接合部１１と、刃具１３とを備えている。刃具１３はワークＷを、例えば孔開け加工する。このとき、ワークＷからのワーク反力Ｆが生じる。このワーク反力Ｆを、マウント部３９とモータ３との間に設けた荷重センサ４１により検出する。
【００３３】
一方、電流センサ（図示しない）によりモータ３の電流値を検出する。そして、前記ワーク反力Ｆと、前記電流値により回転トルクを推定する。
【００３４】
コントローラ３５は回転トルク信号、電流信号、及びワーク反力Ｆを参照して適正なモータ３の制御信号を生成する。そして、ドライバ３７に送り、ドライバ３７は受け取った制御信号に基づきモータ３をドライブする。この結果、適正にワークＷを孔開け加工することができる。
【００３５】
図６に、モータ３の電流値とマウント部３９に設けた反力検出用の荷重センサ４３により検出したワーク反力Ｆとによりモータ３のトルクを推算して、コントローラでモータを制御する場合の荷重センサ９の取り付け方法の構成例を示す。
【００３６】
マシニングセンタ１は、モータ３と、モータ出力軸５と、接合部１１と、刃具１３とを備えている。刃具１３はワークＷを、例えば孔開け加工する。このとき、ワークＷからのワーク反力Ｆが生じる。
【００３７】
このワーク反力Ｆを、マウント部３９とモータ３とに連結したセンサユニット４３により検出する。なお、マウント部３９とモータ３との間には緩衝材４５が設けられている。このとき、荷重センサをすでに出願した荷重センサユニットで構成する。センサユニットは少なくとも１つ以上設ける。複数の場合は荷重分布を知ることができる。これにより、既存のマシニングセンタの機構をほとんど変更しなくとも、電流センサと併用してセンサユニット４３はマシニングセンタ１の外部に取り付けただけなので、センサユニット４３の追加だけで動作管理システムを構築できる。
【００３８】
図７を参照する。回転トルクと電流の関係、及びワーク反力とモータ電流の関係とを個別に計測したマップを示す。事前にこれをデータベース等に登録しておけば、回転トルク、ワーク反力、及びモータの電流値のうち２者を計測することで、残りの１者を推定することができるようになる。
【００３９】
例えば、図７（ａ）に示すように、回転トルクとモータ電流の関係のマップを作成する。また、図７（ｂ）に示すように、ワーク反力とモータ電流の関係のマップを作成する。そして、図７（ｃ）に示すように、使用領域を設けて、この範囲で加工が行えるようにモータ出力を管理する。
【００４０】
ここで、モータ電流は、回転トルクによるものに、ワーク反力を加算した値に近い。これら３者の内２者を検出し、動作状況を管理する。
【００４１】
具体的には、モータ電流の合計値と回転トルクの値よりワーク反力を推定して管理する。また、モータ電流の合計値とワーク反力の値より回転トルクを推定して管理する。さらに、直接回転トルクとワーク反力を検出して管理する。
【００４２】
ここで、図５に示した実施例において、図７（ａ）、図７（ｂ）に示すようにモータ電流は、回転数により変わるので使用回転域でのデータを予めとっておく。図７（ｃ）に示すように、使用可能域もモータ回転数により変わる。
【００４３】
そして、モータ電流Ｉ＝Ｉ１、回転数Ｎ＝Ｎ２、ワーク反力Ｗ＝Ｗ１のとき、図７（ｂ）よりモータ電流Ｉｗ１を求め、トルクによるモータ電流をＩｔ１＝Ｉ１−Ｉｗ２として算出し、図７（ａ）よりトルクＴ１を求めることができる。
【００４４】
図８を参照する。計算機システム８１への応用を示す。通常、マシニングセンタ８３の制御用のＣＡＭデータ（例えば、ＮＣデータ）はＣＡＤ／ＣＡＭ装置８１により作成される。すなわち、図面データであるＣＡＤデータを作成し、このＣＡＤデータから加工用のＣＡＭデータを作成する。このとき、データベースに格納されている工具情報、材料情報等が参照される。そして、作成されたＣＡＭデータはマシニングセンタ８３に送信される。
【００４５】
一方、作業者は、上記ＣＡＭデータに基づきマシニングセンタ８３の動作確認を行う。動作確認がＯＫならば実際の加工を行う。また、動作確認の結果不具合があれば、ＣＡＭデータを修正する。このような加工の流れにおいて、ワーク反力、回転トルク等を正確に求めることができれば、加工状態の計測（評価／診断）をＣＡＤ／ＣＡＭ装置８５へのフィードバックができる。また、作業者への加工条件（工具位置、ＣＡＤデータ）、加工情報（切削負荷、切削異常）の情報提示が容易になる。
【００４６】
なお、本発明は、上述した実施の態様の例に限定されることなく、適宜の変更を加えることにより、その他の態様で実施できるものである。
【００４７】
【発明の効果】
上述の如く本発明によれば、例えば、回転トルクをワーク反力と分離して計測できるので、工具の管理が可能になるという効果がある。
【００４８】
そして、常時、工具の管理が可能になるので、工具の長寿命化、交換時期の明確化、加工危険域での作業防止などが可能になるという効果がある。
【００４９】
また、これまでの様に長い作業経験を必要としない。さらに、システム化が容易になるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】モータ出力軸と工具の接合部との間にトルク検出ユニットを配置したマウント部を説明する説明図である。
【図２】荷重センサと遊星ギア歯車とを利用したトルク検出ユニットを説明する説明図である。
【図３】モータのトルク信号とモータ電流から反力を推定し、コントローラでモータ出力を制御する方法を説明する説明図である。
【図４】モータのトルク信号とマウント部に設けた反力検出用の荷重センサにより、コントローラでモータ出力を制御する方法を説明する説明図である。
【図５】モータの電流値とマウント部に設けた反力検出用の荷重センサにより、モータトルクを推算して、コントローラでモータ出力を制御する方法を説明する説明図である。
【図６】モータの電流値とマウント部に設けた反力検出用の荷重センサにより、モータトルクを推算して、コントローラでモータ出力を制御する方法を説明する説明図である。
【図７】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はモータ電流、回転トルク、及びワーク反力の関係を説明する説明図である。
【図８】計算機システムへの利用を説明する説明図である。
【符号の説明】
１マシニングセンタ
３モータ
５モータ出力軸
７トルク検出ユニット
９荷重センサ
１１接合部
１３刃具

Claims

ワークに対して工具を回転させ加工を行う加工機の出力検出装置において、
前記工具を回転駆動させる駆動源であるモータのモータ出力軸と、前記工具を着脱する接合部との間に、前記モータの回転トルクを検出するトルク検出部を設けたことを特徴とする出力検出装置。
前記トルク検出部は、遊星ギアを使用することにより前記モータの回転トルクの反力を荷重として検出できる機構にし、前記荷重を荷重センサにより検出することを特徴とする請求項１記載の出力検出装置。
ワークに対して工具を回転させ加工を行う加工機のモータ出力制御方法において、
モータの回転トルクと、工具によるワークの加工のときに生じるワーク反力とを検出または推定し、前記回転トルクと、前記ワーク反力に基づいてコントローラが適正なモータ制御信号を設定してモータドライバに送り、前記モータのモータ出力を制御することを特徴とするモータ出力制御方法。
前記ワーク反力は、モータの回転トルクをトルク検出部により検出し、モータの電流値を検出することにより推定することを特徴とする請求項３記載のモータ出力制御方法。
ワークに対して工具を回転させ加工を行う加工機のモータ出力制御方法において、
モータの回転トルクをトルク検出部により検出し、工具によるワークの加工のときに生じるワーク反力をモータマウント部に設けた反力検出用の荷重センサにより検出し、前記回転トルクと前記ワーク反力とに基づいてコントローラが適正なモータ制御信号を設定してモータドライバに送り、前記モータのモータ出力を制御することを特徴とするモータ出力制御方法。
ワークに対して工具を回転させ加工を行う加工機のモータ出力制御方法において、
モータの電流値を検出し、モータマウント部に設けた反力検出用の荷重センサによりワーク反力を検出し、前記モータの電流値と前記ワーク反力から回転トルクを推算して、前記回転トルクと前記ワーク反力とに基づいてコントローラが適正なモータ制御信号を設定してモータドライバに送り前記モータのモータ出力を制御することを特徴とするモータ出力制御方法。
モータ回転数を同時に検出し、前記コントローラでモータ制御信号を設定する工程を含むことを特徴とする請求項３〜請求項６記載のモータ出力制御方法。
回転トルクの検出は、遊星ギアを使用することにより前記モータの回転トルクの反力を荷重として検出できる機構にし、前記荷重を荷重センサにより検出することを特徴とする請求項３、４、５又は７記載のモータ出力制御方法。