JP2009184087A

JP2009184087A - 心押台制御装置

Info

Publication number: JP2009184087A
Application number: JP2008028610A
Authority: JP
Inventors: Giichi Ichikawa; 義一市川; Takuji Nishimoto; 卓史西本; Kazuhisa Niwa; 和久丹羽
Original assignee: Okuma Corp; Okuma Machinery Works Ltd
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2008-02-08
Filing date: 2008-02-08
Publication date: 2009-08-20
Anticipated expiration: 2028-02-08
Also published as: DE102009007437B4; DE102009007437A1; IT1393170B1; US20090199685A1; CN101502885A; JP5015816B2; ITRM20090029A1; US8156850B2; CN101502885B

Abstract

【課題】より確実に被加工物を支持でき得る心押台制御装置を提供する。
【解決手段】心押台制御装置は、バネ部材を有する心押台の駆動系を進退駆動するサーボモータ１１を駆動制御することで、当該心押台に連結された心押センタを被加工物のセンタ穴に当接させて、当該被加工物を支持する。この心押台制御装置は、被加工物を支持するために必要なサーボモータ１１の駆動トルク値を制限トルク値Ｔｍとして算出する制限トルク値算部と、サーボモータ１１の出力トルク値Ｔｒが前記制限トルク値Ｔｍに達するまで、予め設定された心押移動速度Ｖｓで前記心押台を移動するべくサーボモータ１１を駆動制御するサーボ制御部７と、を備える。制限トルク値Ｔｍは、前記被加工物を支持するために必要な支持推力Ｆａから、心押移動速度Ｖｓに基づいて算出される過剰推力Ｆｓ、および、心押台の駆動系におけるトルク損失量、を減算して制限トルク値Ｔｍを算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、バネ部材を有する心押台の駆動系を進退駆動するサーボモータを駆動制御することで、当該心押台に連結された心押センタを被加工物のセンタ穴に当接させて、当該被加工物を支持する心押台制御装置に関する。

数値制御旋盤の被加工物を支持する心押台の駆動は、従来、油圧駆動によるものが多かったが、近年は、サーボモータによって駆動制御する電動心押台が採用されてきている。

電動心押台が採用されてきた背景には、サーボモータの駆動トルクを制御することにより被加工物の支持推力を自在に制御できるため、多品種少量ワークでの段取り時の推力変更などの非稼働時間が削減できたり、油圧ユニットを無くして機械の消費エネルギを節約できたりするといった理由があげられる。

図２は、サーボモータにより駆動制御される電動心押台の機構図の一例である。この機構では、サーボモータ９の駆動に伴い当該サーボモータ９に連結された送りねじ１０６が自転する。この自転に伴い、当該送りねじ１０６に螺合接続された心押台１０２が駆動制御される。その結果、心押台１０２に取り付けられた心押しセンタ１０１が被加工物１００のセンタ穴と勘合し、これにより被加工物１００が支持される。なお、モータの電源オフ後も被加工物を支持するための支持推力を確保するために、通常、芯押しセンタ１０１の後側などには、バネ１０４が設けられている。

ところで、当該機構では、被加工物を確実に支持するために必要な推力（支持推力）を発生させるために必要なサーボモータの駆動トルク（トルク制限値Ｔｍ）は、支持推力に基づいて算出される。なお、駆動系には伝達機構が存在する。そのため、通常、制限トルク値Ｔｍは、伝達機構の伝達効率を考慮し、支持推力から当該駆動系によるトルク損失を減算することで算出される。換言すれば、従来、支持推力を発生させるために必要なサーボモータのトルク制限値Ｔｍは、支持推力および駆動系の伝達効率に基づいて算出されていた。以降、図７のブロック図を用いて従来技術を説明する。

心押推力設定部１で予め設定された心押し支持推力Ｆａは、トルク指令変換部３に入力される。また、心押パラメータ設定部２で設定された駆動系の変速比や心押台摺動面抵抗や送りねじ軸受け部の摩擦トルクやボールねじの効率など、駆動系のトルク損失量を示す心押パラメータ群Ｎも、トルク指令変換部３に入力される。トルク指令変換部３は、この支持推力Ｆａおよび伝達パラメータ群Ｎに基づいて、当該支持推力Ｆａを発生させるために必要なサーボモータのトルク値をトルク制限値Ｔｍとして算出する。

心押指令部５は、図示しない手動操作あるいは加工プログラムにより心押指令を発生させて、心押台制御部６を起動する。起動された心押台制御部６は、心押速度設定部４から出力される心押し移動速度Ｖｓなどに基づいて、サーボ制御部７、電力増幅部１０を介してサーボモータ１１のトルクを制御する。サーボ制御部７は、心押台制御部６からの指示に応じて、指令トルク値Ｔｒを算出し、電力増幅部１０に出力する。電力増幅部１０は、指令トルク値Ｔｒに応じた電力をサーボモータ１１に供給する。この時、心押台制御部６は、トルク指令変換部３で換算されたトルク制限値Ｔｍを、トルク指令値記憶部８に記憶させて、トルク制限値Ｔｍにサーボ制御部７へ送出する。サーボ制御部７は、このトルク制限値Ｔｍを上限として、サーボモータ１１のトルク制限制御をおこなう。

上述した構成により、心押台を駆動するサーボモータ１１が駆動制御され、前記心押台に装着された心押しセンタが被加工物のセンタ穴に勘合することで被加工物が支持される。サーボ制御部７は、指令トルク値Ｔｒ（サーボモータの出力トルク値）が、制限トルク値Ｔｍに達したところで、心押台の送りを停止する。これにより被加工物は所定の支持推力で支持される。

特開２０００−１５３４３１号公報特開平４−６３６０３号公報

上述した従来技術によれば、予め設定された心押し支持推力Ｆａに加えて、心押台摺動面や送りネジ軸受け部の摩擦トルクやボールねじの効率などを考慮して、サーボモータ１１の制限トルク値Ｔｍが算出されている。そのため、被加工物を所定の支持推力Ｆａで支持することができる。しかし、被加工物を支持する際の駆動トルクＴｒが前記トルク制限値Ｔｍに到達した時点で心押台の送り動作を停止してから、実際に、心押しが停止するまでの間には、慣性力に起因して若干の移動距離が発生し、過剰推力が発生する。また、駆動系がバネ機構を内蔵する心押しでは、心押しが停止するまでの移動距離でバネが縮み被加工物に過剰推力が掛かる。あるいは、前記心押し移動速度を変えると心押しが停止するまでの移動距離も変わるため、支持推力にバラツキが発生するといった課題があった。

本実施形態の心押制御装置は、バネ部材を有する心押台の駆動系を進退駆動するサーボモータを駆動制御することで、当該心押台に連結された心押センタを被加工物のセンタ穴に当接させて、当該被加工物を支持する心押台制御装置であって、前記被加工物を支持するために必要なサーボモータの駆動トルク値を制限トルク値として算出する制限トルク値算出手段と、前記サーボモータの出力トルク値が前記制限トルク値に達するまで、予め設定された心押移動速度で前記心押台を移動するべく前記サーボモータを駆動制御するサーボ制御手段と、を備え、前記制限トルク値算出手段は、前記被加工物を支持するために必要な心押台の推力を支持推力として算出する手段と、前記心押移動速度で移動する心押台センタが被加工物に当接してから停止するまでの間に前記バネ部材が縮むことにより生じる弾性復元力に起因する過剰な推力を過剰推力として算出する過剰推力算出手段と、前記支持推力から、前記過剰推力を減算して制限トルク値を算出する手段と、を備えることを特徴とする。

好適な態様では、前記サーボモータの出力トルク値が、前記制限トルク値に達した時点での、前記心押台の速度を実速度として検出する実速度検出手段を備え、前記制限トルク値算出手段は、前記実速度が検出された場合には、前記設定された移動速度を前記実速度に代えて、制限トルク値を再算出し、前記サーボ制御手段は、前記制限トルク値が再算出された場合には、当該再算出された制限トルク値に基づいてサーボモータを駆動制御する。

本発明によれば、心押しが停止するまでの移動によるバネの縮みにより発生する被加工物への過剰推力を、予め算出し指令推力から減算し補正している。そのため、心押し移動速度を変えても支持推力にバラツキが発生せず、推力不足による加工中ワークの飛び出しや、押し過ぎによるワークの変形などを排除し安全性の高い心押台制御装置を提供できるといった効果がある。

本発明の第一実施形態を、図１、図３を用いて説明する。図１は、本発明の実施形態である心押台制御装置のブロック図である。また、図３は、この心押台制御装置による制御の流れを示すフローチャートである。なお、従来技術と同等な部分については詳細な説明を省略する。

この心押台制御装置は、従来技術と同様に、図２に図示するような、バネ１０４を内蔵した駆動系を有する心押台を制御対象としている。心押台制御部６は、図示しない手動操作あるいは加工プログラムにより心押指令が行われると、心押指令部５を介して起動される（Ｓ１０）。起動された心押台制御部６は、過剰推力算出部３３や、制限トルク値算出部３０（推力指令値補正部３１、トルク指令変換部３２、過剰推力算出部３３を有する）を駆動制御して、制限トルク値Ｔｍを算出させる。

この制限トルク値Ｔｍの算出の流れを詳説する。この場合、まず、過剰推力算出部３３が、過剰推力Ｆｓを算出する（Ｓ２０）。過剰推力Ｆｓとは、心押台の移動速度がＶｓである場合に、バネの弾性力や慣性力に起因して生じる推力である。この過剰推力Ｆｓは、心押パラメータ設定部２で設定されている心押しパラメータ群Ｎ（送りネジ効率η、回転イナーシャI、バネ定数ｋ、送りネジリードｌ、心押し重量ｗ、加速度ｇ）と、心押速度設定部４で該設定されている心押し移動速度Ｖｓに基づいて算出される。より具体的に説明すると、心押しセンタ１０１の後にバネ１０４が内蔵されている場合、過剰推力Ｆｓは、次の式１で算出される。
Ｆｓ＝ｋｘ
＝ω√（ｋ（Ｉ＋ｗｌ^２／４π^２ｇ））・・・（式１）

なお、式１において、ｋはバネ定数、ｘはバネ縮み量、Ｉは回転イナーシャ、ｗは心押し重量、ｌは送りネジのリード、ｇは加速度、ωはモータの角速度である。このうち、角速度ωは、モータの回転数をＮ（Ｎ＝Ｖｓ／ｌ）とした場合、ω＝２πＮ／６０として算出される。また、上述したように、式１は、心押しセンタ１０１の後にバネ１０４が内蔵されている場合の算出式であるが、バネ１０４の設置箇所に応じて、適宜、異なる算出式を用いて過剰推力Ｆｓを算出してもよい。この過剰推力Ｆｓの算出においては、式２で示すような、回転エネルギＥｒと、運動エネルギＥｍ、および、弾性エネルギＥｓの関係式が利用される。なお、ｖは、モータの回転速度（ｖ＝Ｖｓ）である。
Ｅｒ＝Ｉω^２／２
Ｅｍ＝ｗｖ^２／２ｇ
Ｅｓ＝ｋｘ^２／２
Ｅｒ＋Ｅｍ＝Ｅｓ・・・（式２）

過剰推力算出部３３で算出された過剰推力Ｆｓは、推力指令値補正部３１に入力される。また、この推力指令値補正部３１には、心押推力設定部１で該設定された心押支持推力Ｆａも入力される。ここで、心押支持推力Ｆａは、次の式３で算出され、設定される。なお、式３において、ηは送りネジ効率、Ｔはモータトルク、ｌは送りネジリードを意味している。
Ｆａ＝２πηＴ／ｌ・・・（式３）

推力指令値補正部３１は、入力された心押支持推力Ｆａから過剰推力Ｆｓを減算して、補正後推力Ｆｍ１を算出する（Ｓ３０）。算出された補正後推力Ｆｍ１は、トルク指令変換部３２に入力される。トルク指令変換部３２には、当該補正後推力Ｆｍ１の他、心押パラメータ設定部２で設定されている心押パラメータ群Ｎも入力される。そして、トルク指令変換部３２は、この入力された補正後推力Ｆｍ１および心押パラメータ群Ｎに基づいて、心押支持推力Ｆａを得るために必要なサーボモータのトルク、すなわち、制限トルク値Ｔｍを算出する（Ｓ４０）。より具体的には、補正後推力Ｆｍ１から、心押パラメータ群Ｎに基づいて算出された駆動系のトルク損失量を減算した値を、制限トルク値Ｔｍとして算出する。算出された制限トルク値Ｔｍは、心押台制御部６を介して、トルク指令値記憶部８に記憶される。制限トルク値Ｔｍが、トルク指令値記憶部８に記憶されれば、サーボ制御部７は、電力増幅部１０への駆動トルクＴｒの送出を開始し、心押支持動作、すなわち、心押台の移動動作を開始する（Ｓ５０）。その後は、駆動トルクＴｒが、当該制限トルク値Ｔｍに達したか否かを監視する（Ｓ６０）。そして、駆動トルクＴｒがトルク制限値Ｔｍに達すれば、被加工物が支持できる状態になった（支持推力が発生している）と判断し、心押台の駆動を停止する。

ここで、これまでの説明で明らかなとおり、本実施形態における制限トルク値Ｔｍは、バネ定数ｋや心押台の移動速度Ｖｓなどに基づいて算出された過剰推力Ｆｓ（式１参照）を考慮した値となっている。そのため、心押し移動速度が変化したり、バネの縮みなどが発生したりしたとしても、支持推力のバラツキを低減できる。その結果、推力不足による加工中ワークの飛び出しや、押し過ぎによるワークの変形などを防止でき、安全性の高い心押台制御装置を提供できる。

次に、第二実施形態について説明する。図４は、第二実施形態に係る心押台制御装置のブロック図である。また、図５は、心押台制御装置による制御の流れを示すフローチャートである。さらに、図６は、第二実施形態における駆動トルクＴｒと、心押し移動速度Ｖｓの変化を示す図である。なお、第一実施形態と同等な部分については詳細な説明を省略する。

この第二実施形態では、時々刻々と出力されるトルク指令値Ｔｒを検出し心押台制御部６へ送出する駆動トルク検出部９、および、心押台の移動速度Ｖｓを検出する速度検出部３４を有する点が第一実施形態と大きく異なる。また、当該検出された駆動トルクＴｒ、および、移動速度Ｖｓに基づいて制限トルク値Ｔｍを適宜、再計算する点でも異なる。この心押台制御部６による制御、特に、制限トルク値Ｔｍの再算出に関する制御について図５、図６を参照して説明する。

第二実施形態でも、第一実施形態と同様に、まず、被加工物に接触する前の心押し移動速度、すなわち、第一心押移動速度Ｖｓ１や、バネ定数ｋなどに基づいて、第一過剰推力Ｆｓ１を算出する（Ｓ２０）。そして、この第一過剰推力Ｆｓ１や心押しパラメータ群Ｎ、心押支持推力Ｆａなどに基づいて第一制限トルク値Ｔｍ１を算出する（Ｓ３０，Ｓ４０）。第一制限トルク値Ｔｍ１が算出できれば、サーボ制御部７は、駆動トルクＴｒが、制限トルク値Ｔｍ１に達するまで、サーボモータ１１を駆動制御する。

ここで、このときの駆動トルクＴｒおよび心押し移動速度Ｖｓの変化を図６に図示する。図６において、時刻ｔ１は、心押しセンタ１０１が被加工物１００に接触した時刻を意味している。この図６から明らかなとおり、心押しセンタ１０１が被加工物１００に接触すると、駆動トルクＴｒが徐々に上昇する一方で、心押移動速度Ｖｓは徐々に低下していく。換言すれば、時刻ｔ１以降、心押移動速度Ｖｓは、制限トルク値Ｔｍ１の算出に利用した第一心押移動速度Ｖｓ１以下となる。速度Ｖｓが変化すれば、当然、心押台に作用する慣性力も変化する。そして、慣性力が変化すれば、当然、慣性力などに起因して生じる過剰推力Ｆｓ、さらには、被加工物を支持するために必要な制限トルク値Ｔｍの値も変化することになる。

そこで、本実施形態では、駆動トルクＴｒが、最初に算出された第一制限トルク値Ｔｍ１に達すれば、その時点での移動速度、すなわち、第二移動速度Ｖｓ２（Ｖｓ２＜Ｖｓ１）に基づいて再度、制限トルク値Ｔｍを算出するようにしている。

より具体的には、心押台制御部６は、心押台の移動制御が開始（Ｓ５０）された後は、駆動トルクＴｒが、第一制限トルク値Ｔｍ１に達したか否かを監視する（Ｓ６０）。駆動トルクＴｒが第一制限トルク値Ｔｍ１に達すると、心押台制御部６は、その時点、すなわち、図６における時刻ｔ２において、速度検出部３４で検出された第二心押移動速度Ｖｓ２に基づいて、第二過剰推力Ｆｓ２を算出させる（Ｓ７０，Ｓ８０）。第二過剰推力Ｆｓ２が算出できれば、続いて、当該第二過剰推力Ｆｓ２や心押しパラメータ群Ｎ、心押支持推力Ｆａなどに基づいて、第二制限トルク値Ｔｍ２を算出する（Ｓ１００）。第二制限トルク値Ｔｍ２が算出できれば、この第二制限トルク値Ｔｍ２を、モータトルクの制限値に再設定して、心押台の移動動作を継続する（Ｓ１１０）。その後は、駆動トルクＴｒが、当該第二制限トルク値Ｔｍ２に達するか否かを監視する（Ｓ１２０）。そして、駆動トルクＴｒが、第二制限トルク値Ｔｍ２に達すれば（図６における時刻ｔ４になれば）、被加工物を支持するために十分な推力が得られていると判断できる。したがって、この場合、心押台制御部６は、サーボ制御部７等を制御して、心押台の移動動作を停止させる。これにより、被加工物の支持動作が完了する。

以上の説明から明らかなとおり、第二実施形態では、心押しセンタ１０１の被加工物１００への接触に伴う移動速度Ｖｓの変化も考慮して、適宜、制限トルク値Ｔｍを再計算している。その結果、より正確な制限トルク値Ｔｍを得ることができ、より確実に被加工物を支持することができる。なお、本実施形態では、制限トルク値Ｔｍを二回（Ｔｍ１とＴｍ２）のみ算出しているが、制限トルク値Ｔｍを、より多数回、算出するようにしてもよい。例えば、ステップＳ１２０で、駆動トルクＴが第二制限トルク値Ｔｍ２に達すれば、その時点での移動速度Ｖｓ３に基づいて、第三制限トルク値Ｔｍ３を再度、算出するようにしてもよい。

本発明の第一実施形態である心押台制御装置のブロック図である。制御対象である心押台の概略構成図である。第一実施形態における心押台制御装置による制御の流れを示すフローチャートである。本発明の第二実施形態である心押台制御装置のブロック図である。第一実施形態における心押台制御装置による制御の流れを示すフローチャートである。駆動トルクＴｒと心押し移動速度Ｖｓの変化を示すグラフである。従来の心押台制御装置のブロック図である。

符号の説明

１心押推力設定部、２心押パラメータ設定部、３トルク指令変換部、４心押速度設定部、５心押指令部、６心押台制御部、７サーボ制御部、８トルク指令値記憶部、９駆動トルク検出部、１０電力増幅部、１１サーボモータ、３０制限トルク値算出部、３１推力指令値補正部、３２トルク指令変換部、３３過剰推力算出部、３４速度検出部、１００被加工物、１０１心押しセンタ、１０２心押台、１０４バネ。

Claims

バネ部材を有する心押台の駆動系を進退駆動するサーボモータを駆動制御することで、当該心押台に連結された心押センタを被加工物のセンタ穴に当接させて、当該被加工物を支持する心押台制御装置であって、
前記被加工物を支持するために必要なサーボモータの駆動トルク値を制限トルク値として算出する制限トルク値算出手段と、
前記サーボモータの出力トルク値が前記制限トルク値に達するまで、予め設定された心押移動速度で前記心押台を移動するべく前記サーボモータを駆動制御するサーボ制御手段と、
を備え、
前記制限トルク値算出手段は、
前記被加工物を支持するために必要な心押台の推力を支持推力として算出する手段と、
前記心押移動速度で移動する心押台センタが被加工物に当接してから停止するまでの間に前記バネ部材が縮むことにより生じる弾性復元力に起因する過剰な推力を過剰推力として算出する過剰推力算出手段と、
前記支持推力から、前記過剰推力を減算して制限トルク値を算出する手段と、
を備えることを特徴とする心押台制御装置。
請求項１に記載の心押台制御装置であって、
前記サーボモータの出力トルク値が、前記制限トルク値に達した時点での、前記心押台の速度を実速度として検出する実速度検出手段を備え、
前記制限トルク値算出手段は、前記実速度が検出された場合には、前記設定された移動速度を前記実速度に代えて、制限トルク値を再算出し、
前記サーボ制御手段は、前記制限トルク値が再算出された場合には、当該再算出された制限トルク値に基づいてサーボモータを駆動制御する、
ことを特徴とする心押台制御装置。