JP2010102416A - 工作機械の制御方法及び制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】モータが過負荷で切削を停止したりワークや工具や工作機械の損傷等しないように回避動作を行う。
【解決手段】工作機械１の制御方法は、実際に切削する工具の駆動源であるサーボモータＭのトルクをトルク検出センサ６で検出する。この実測トルクと当該トルクを生じる微少時間との積算を演算指令部１１で行って二乗平均トルクを算出する。二乗平均トルクが定格トルクを越えた場合、メモリ１０に予め設定した「トルク−時定数特性」テーブルに基づいて工具の早送り時定数を延長するよう変更する。変更した時定数によって、モータの二乗平均トルクが定格トルクを越えないように制御する。モータの二乗平均トルク及びピークトルクとこれらの定格トルクに対する比率、変更後の早送り時定数をディスプレイ１３に表示し、作業者の操作を支援する。
【選択図】図１

Description

本発明は、工作機械において例えばドリルによる深穴加工やギヤシェーパ加工等、工具を往復動させてワークを切削加工するハイサイクル加工等に用いられる工作機械の制御方法及び制御装置に関する。

従来、工作機械のマシニングセンタ等において、主軸に例えばドリルを取り付けて穴加工を行う場合、深穴加工では１回の長いストロークによって穴切削を行うと生成される切粉が長くなり、ドリルに絡まってドリルが折れたり切屑排出溝が詰まる等の不具合が発生する。そのため、深穴加工においては１回の切削ストロークを加工すべき穴の深さより短くして一部切削しては工具を外に取り出すという一工程の往復動作を複数回繰り返すことで、順次穴加工を行うようにしている。これにより、ドリルの切削で生成される切粉を短い長さにして、ドリルの折損を防ぐと共に切粉を排出し易くしている。
また、同様にギヤシェーパ加工においても、歯車を形成するためのワークに対してギヤシェーピングカッタ等をその軸方向（Ｚ軸方向）に早送りまたは切削送り（高送り加工）で往復動させることで、ワークの外周面または内周面に歯形を形成し、順次切り込み深さを大きくすることでギヤ加工するようにしている。
このような早送りまたは切削送り（高送り加工）による往復動を長時間繰り返して切削加工するワークの加工方法をハイサイクル加工という。

マシニングセンタによる切削加工は、多種の加工や送り等、切削条件が幅広く、種々の切削加工が行われている。しかも加工時間の短縮が要求されているため、送り軸の早送り加減速時定数は一般に短く、サーボモータの性能限界まで使用されることが多い。
ハイサイクル加工はサーボモータ等のモータにかかる負荷が大きく、オーバーヒートし易く過負荷になり易いという不具合がある。モータが過負荷にならないで駆動できるための条件・指標として二乗平均トルクがある。二乗平均トルクがモータの定格トルク以内であれば連続して切削加工ができる。二乗平均トルクを考慮したモータの駆動制御装置や制御方法として、例えば下記特許文献１乃至３に記載されたものがある。
特許文献１に記載された制御装置は、パンチングプレス機の制御装置に関するものであり、金型交換時にモータの駆動によりワークを支持する移動テーブルをモータ駆動により退避させる際、モータの二乗平均トルクがそのモータの定格トルクを越えない範囲で、ワークの通常加工時の移動テーブル移動最高速度より高速に設定し、この設定速度で移動テーブルを退避させる。これにより、金型交換時間を短くできるとしている。

また、特許文献２に記載された制御装置では、工作機械における主軸に取り付けた工具でワークを切削する際に、主軸の切削負荷トルクの変動を主軸の回転速度変動として検出し、周期的な回転速度変動の実効値である二乗平均トルクを減速指令として送り系の送り速度を制御するようにしている。
特許文献３に記載された制御装置は、ロボットの質量配分と加減速パラメータを基本パラメータ、動作デューティ等の動作条件から制約条件を満足し、制約条件余裕により表現される評価関数を最大化するように決定してロボットアームの動力学的干渉を軽減する。モータ所要平均トルク・所要平均速度の関係を考慮してそれらの余裕が最大となるように決定して質量配分を行うとしている。
特開平７−３２８７２８号公報 特公平５−３９７３７号公報 特公平７−１２９２１０号公報

ところで、上述した特許文献１乃至３に記載されたモータの制御装置と相違して、上述した深穴ステップ加工やギヤシェーパ加工は専用機的で特別なハイサイクル加工であるため、長時間の駆動によってサーボモータがオーバーヒートし易いという不具合がある。しかも、加工条件の設定時に判断基準となる加工時のサーボモータの二乗平均トルクの計算が困難であり、加工途中に過負荷で停止してワークや切削工具等の損傷を生じ易いという不具合があった。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、モータがオーバーヒートして加工途中で切削を停止したりワークや工具や工作機械を損傷等しないように、回避動作を行えるようにした工作機械の制御方法及び制御装置を提供することを目的とする。

本発明による工作機械の制御方法は、工作機械の主軸に装着された工具によってワークを切削加工するようにした工作機械の制御方法において、実際に切削する工具の駆動源であるモータのトルクと当該トルクを生じる微少時間との積算を行って二乗平均トルクを算出し、該二乗平均トルクがモータの定格トルクを越えた場合、予め設定された「トルク−時定数」テーブルに基づいて工具の早送り時定数を延長する方向で変更して、モータの二乗平均トルクが定格トルクを越えないように制御することを特徴とする。
本発明によれば、工具で早送り切削等によってワークを切削加工する際、実際の切削で得たトルクに基づいて算出した二乗平均トルクがモータの定格トルク以下である場合にはそのまま連続切削できるが、この二乗平均トルクがモータの定格トルクを越えた場合にはオーバーヒートして過負荷になるおそれがあり、この場合に、予め設定された「トルク−時定数」テーブルに基づいて工具の早送り時定数（加減速時間）を延長する方向で変更して、モータの二乗平均トルクが定格トルクを越えないようにトルクを制御してワークの切削を行うことができる。

また、モータの二乗平均トルク及びピークトルクとこれらの定格トルクに対する比率、変更後の早送り時定数をディスプレイに表示することが好ましく、これによって作業者の工作機械の操作を支援できる。
また、工具による切削加工は、ドリルを用いた深穴加工またはギヤシェーピングカッタを用いたギヤシェーピング加工であってもよい。

本発明による工作機械の制御方法は、工作機械の主軸に装着された工具によってワークを切削加工するようにした工作機械の制御方法において、実際に切削する工具の駆動源であるモータのトルクと当該トルクを生じる微少切削時間との積算を行って二乗平均トルクを算出し、二乗平均トルクがモータの定格トルクを越えた場合、ドウェルタイム（休止時間）を延長する方向で変更して、モータの二乗平均トルクが定格トルクを越えないように制御することを特徴とする。
本発明によれば、例えば時定数の変更を実施しずらい切削送りによってワークを切削加工する際、実際の切削で得たトルクに基づいて算出した二乗平均トルクがモータの定格トルクを越えた場合には、予め設定されたドウェルタイム（休止時間）を延長するように変更することで、モータの二乗平均トルクが定格トルクを越えないようにトルクを制御してワークの切削を行うことができる。これによって、切削時にオーバーヒートして過負荷になるおそれを防止できる。
なお、時定数の変更を実施しずらい切削送り加工とは、例えば斜め加工等のように同時２軸切削の場合等に時定数を変更すると２軸方向の形状秩序が劣化する切削加工をいい、高精度の切削加工が困難になる。

また、モータの二乗平均トルク及びピークトルクとこれらの定格トルクに対する比率、変更後のドウェルタイムをディスプレイに表示することが、作業者を支援する上で好ましい。
また、工具による切削加工がギヤシェーピングカッタを用いたギヤシェーパ加工であってもよい。

本発明による工作機械の制御方法は、工作機械の主軸に装着された工具によってワークを切削加工するようにした工作機械の制御方法において、実際に切削する工具の駆動源であるモータのトルクと当該トルクを生じる微少切削時間との積算を行って二乗平均トルクを算出し、二乗平均トルクがモータの定格トルクを越えた場合、モータの「過負荷デューティ特性」のテーブルに基づいて定格トルクを越える平均二乗トルクで過負荷にならずに切削可能な負荷時間を算出し、負荷時間の範囲内で定格トルクを越えるトルクで切削するようにしたことを特徴とする。
本発明によれば、二乗平均トルクがモータの定格トルクを越えた場合、モータの「過負荷デューティ特性」のテーブルに基づいて定格トルクを越える二乗平均トルクでオーバーヒートせず過負荷にならないで切削可能な負荷時間を算出し、この負荷時間の範囲内で定格トルクを越えるトルクで切削することができる。

また、負荷時間が経過した過負荷前の時点で、工具による切削を停止させ、所定の非切削時間が経過した後で加工を再開できる。
また、工具による切削を停止させた状態で、再開スイッチがＯＮの場合、非切削時間が経過した後で切削加工を再開できる。
また、モータの二乗平均トルク、ピークトルク、及びこれらの定格トルクに対する比率、負荷時間をディスプレイに表示することが好ましく、これによって作業者による工作機械の操作を支援できる。

本発明による工作機械の制御装置は、工作機械の主軸に装着された工具によってワークを切削加工するようにした工作機械の制御装置において、主軸に装着された工具を駆動するモータと、該モータのトルクを測定するトルク検出センサと、トルクの変動に対して定格トルクを越えないように時定数を設定した「トルク−時定数」テーブルを記憶するメモリと、トルクと当該トルクを生じる微少時間との積算を行って二乗平均トルクを算出する二乗平均トルク算出手段と、二乗平均トルクが前記モータの定格トルクを越えた場合に「トルク−時定数」テーブルに基づいて二乗平均トルクが定格トルクを越えないように工具の早送り時定数を変更する早送り時定数変更手段とを備えた演算指令部と、時定数を変更可能とする時定数変更可能スイッチと、二乗平均トルクと定格トルクに対する二乗平均トルクの比率と変更した時定数とを表示するディスプレイとを備えたことを特徴とする。

本発明による工作機械の制御装置は、工作機械の主軸に装着された工具によってワークを切削加工するようにした工作機械の制御装置において、主軸に装着された工具を駆動するモータと、該モータの切削によるトルクを測定するトルク検出センサと、モータの二乗平均トルクと当該トルクを生じる微少時間との積算を行って二乗平均トルクを算出する二乗平均トルク算出手段と、二乗平均トルクがモータの定格トルクを越えた場合に二乗平均トルクが定格トルクを越えないようにドウェルタイムを変更するドウェルタイム変更手段とを備えた演算指令部と、ドウェルタイムを変更可能とするドウェルタイム変更可能スイッチと、二乗平均トルクと定格トルクに対する二乗平均トルクの比率と変更したドウェルタイムとを表示するディスプレイとを備えたことを特徴とする。

本発明による工作機械の制御装置は、工作機械の主軸に装着された工具によってワークを切削加工するようにした工作機械の制御装置において、主軸に装着された工具を駆動するモータと、該モータの切削によるトルクを測定するトルク検出センサと、二乗平均トルクがモータの定格トルクを越えた場合、該定格トルクを越えた切削時間と切削を停止した非切削時間との関係に基づいて定格トルクを越えるトルクで過負荷にならずに切削可能な負荷時間を設定したモータの「過負荷デューティ特性」のテーブルを記憶するメモリと、トルクと当該トルクを生じる微少時間との積算を行って二乗平均トルクを算出する二乗平均トルク算出手段と、二乗平均トルクが定格トルクを越えた場合に「過負荷デューティ特性」テーブルによって負荷時間を設定して該負荷時間の範囲内で定格トルクを越えるトルクで切削する切削制御手段とを備えた演算指令部と、二乗平均トルクと定格トルクに対する二乗平均トルクの比率と負荷時間とを表示するディスプレイとを備えたことを特徴とする。
なお、「過負荷デューティ特性」テーブルは、モータの定格トルクに対する二乗平均トルクの比率をトルクパーセントとし、トルクが定格トルクを越えた時間Ｔ１と切削しない非切削時間Ｔ２とした場合に、デューティを{Ｔ１／（Ｔ１＋Ｔ２）}×１００で設定して、定格トルクを越えた複数のトルクパーセントに対してそれぞれデューティを設定して工具で切削可能な負荷時間を測定して記憶したものである。

本発明による工作機械の制御方法及び装置は、二乗平均トルクがモータの定格トルクを越えた場合、早送り時定数が変更可能な状態で、予め設定された「トルク−時定数」テーブルに基づいて工具の早送り時定数を延長する方向で変更することで、モータが定格トルクを越えないように二乗平均トルクを制御して、過負荷になることを回避して駆動制御できる。
また、本発明による工作機械の制御方法及び装置は、二乗平均トルクがモータの定格トルクを越えた場合、モータ駆動のドウェルタイムが変更可能な状態で、ドウェルタイムを延長する方向で変更することで、モータが定格トルクを越えないように二乗平均トルクを制御して、過負荷になることを回避して駆動制御できる。
また、本発明による工作機械の制御方法及び装置は、二乗平均トルクがモータの定格トルクを越えた場合でも、モータの「過負荷デューティ特性」のテーブルに基づいて定格トルクを越えるトルクで切削可能な負荷時間を算出し、負荷時間の範囲内で定格トルクを越えるトルクで切削するようにしたから、定格トルクを越えたトルクで工具を切削したとしてもオーバーヒートして過負荷にならない範囲に負荷時間を制限して切削することで、モータが過負荷になることを回避できる。

以下、本発明の実施の形態による工作機械の制御方法及び制御装置について図１乃至図１１に基づいて説明する。
図１乃至図７は本発明の第一実施形態を示すものであり、図１は工作機械の制御装置の要部構成を示す図、図２は制御装置の演算指令部に含まれるワーク切削制御のための機能ブロック図、図３は主軸に装着したドリルでワークの深穴加工を行う工程を示す説明図、図４はドリルでワークを穴加工した際におけるトルクと切削時間との関係を示す波形図、図５は主軸の回転速度とトルクの関係において連続切削と断続切削との領域を示す速度−トルク特性の図、図６はドリルを早送りする際におけるトルクと時定数との関係を示す「トルク−時定数」テーブルの図、図７はドリルの穴加工時におけるサーボモータの二乗平均トルク算出方法を示すフローチャート、図８は早送り時定数を変更する方法を示すフローチャートである。
図１に示す工作機械１は、主軸２に工具３としてドリル３Ａ（またはギヤシェーピングカッタ等）を装着してワークＷに穴加工（またはギヤシェーパ加工）を行うものである。図１に示す工作機械１において垂直軸をＹ軸とし、Ｙ軸に直交する水平面内において横方向をＸ軸、Ｘ軸に直交する縦方向をＺ軸とする。主軸２に装着されたドリル３ＡはワークＷに対してＺ軸方向に相対的に進退して穴加工するものとする。工作機械１にはドリル３Ａを主軸２の中心軸線周りに回転切削しつつＺ軸方向に早送りまたは切削送りするためのサーボモータＭが駆動源として装着されている。

サーボモータＭは、ドリル３Ａのトルクを検出してＮＣ装置５に送信する図示しないサーボアンプに接続されている。このサーボアンプ内にトルク検出センサ６が設けられており、サーボモータＭのモータ電流等からトルクを算出する。ＮＣ装置５は送受信するデータや加工プログラム等に基づいて駆動指令をサーボモータＭに出力して工作機械１の駆動を自動制御する。ＮＣ装置５はサーボモータＭの駆動を制御する制御装置７に電気的に接続されている。
制御装置７は、ＮＣ装置５との間でデータを送信及び受信するデータ送受信部９と、後述する「トルク−時定数」テーブルＤ１や「過負荷デューティ特性」テーブルＤ２やドウェルタイム演算手段等の各種のデータを記憶するメモリ１０と、入力される工具３やモータＭのデータ、トルク、メモリ１０に記憶されているトルク−時定数テーブルＤ１等の各種データに基づいてサーボモータＭの二乗平均トルク（デューティ値）、早送り時定数、或いはドウェルタイム（休止時間）等を演算してサーボモータＭの駆動を制御する演算指令部１１が設けられている。

演算指令部１１には、図２に示すように二乗平均トルクを演算する二乗平均トルク算出手段１１ａと、早送り時定数を変更する早送り時定数変更手段１１ｂとを備えている。なお、演算指令部１１内には、他にドウェルタイムを変更するドウェルタイム変更手段１１ｃと、切削制御手段１１ｄとを備えており、必要に応じて適宜選択的に制御するようになっている。
制御装置７において、演算指令部１１にはディスプレイ１３が接続されており、演算されたサーボモータＭの二乗平均トルク、ピークトルク（最大トルク）、二乗平均トルクと定格トルクとの比率、ピークトルクと定格トルクとの比率等を表示する。また、演算指令部１１には機能スイッチ入力部１４が接続されており、早送り時定数の変更を可能状態にする（早送り）時定数変更スイッチ１５、ドウェルタイムの変更を可能状態にするドウェルタイム変更スイッチ１６、サーボモータＭの再開スイッチ１７が設けられている。

本実施形態による工作機械１の制御装置７において、ドリル３Ａによる深穴加工は１回の送り切削で穴を加工完了させようとすると、加工距離が長くなり切粉が長く連続してドリル３Ａに絡まって折損したり、切屑排出溝に切粉が詰まって摩擦抵抗が過大になる。そのため、図３に示すように、複数段階に分けて早送り切削するステップ加工を行うようにしている。
図３に示す例では、ドリル３ＡをワークＷの加工穴外部の基準位置ＲからＺ軸方向に送ってワークＷを距離Ｑだけ部分的に切削し、一部の穴加工を施してドリル３Ａを基準位置Ｒに戻す。この１回の往復動（工程）を１サイクルとして繰り返して段階的に加工穴を深くし、例えば４回のステップで所要の深穴加工を完了する。

このような切削加工による切削時間とサーボモータＭのトルクとの関係を示すと図４のようになる。
図４において、ドリル３Ａの１回の往復動を１サイクルとし、１サイクルの時間Ｔ（sec）における各微少（切削）時間Δｔ１、Δｔ２、…毎にサーボモータＭにかかるトルクをＡ１、Ａ２、…とした場合、サーボモータＭの二乗平均トルクＴｒｍｓは次の式で求められる。
Ｔｒｍｓ＝√{（Ａ１^２Δｔ１＋Ａ２^２Δｔ２＋……）／Ｔ} ……（１）
二乗平均トルクＴｒｍｓはトルクと時間の積（面積）であり、多種多数のパターンが想定される。二乗平均トルクＴｒｍｓがサーボモータＭの定格トルク以下であれば連続して加工を行える。しかし、二乗平均トルクＴｒｍｓがサーボモータＭの定格トルクを越える場合にはオーバーヒートになり、過負荷になり易い。

図５はサーボモータＭによる主軸２及びドリル３Ａの回転数（回転速度）とトルクとの関係を示す速度-トルク特性の一例を示す図であり、図５に示す例ではトルクが定格トルク以内でサーボモータＭの回転数（ｍｉｎ^−１）が２０００ｍｉｎ^−１以下であれば、ワークＷを連続切削で穴明け加工可能であり、これを連続動作領域とする。この場合、回転数が増大するにつれて定格トルク（Ｎｍ）は次第に低減する。
一方、トルクが定格トルクを越える場合や回転数が２０００ｍｉｎ^−１を越える場合、オーバーヒートを防止するためには断続切削で穴明け加工可能であり、これを断続動作領域とする。この場合、回転数が１０００ｍｉｎ^−１以下であると、トルク１３０Ｎｍで穴加工可能であるが、回転数が１０００ｍｉｎ^−１を越える場合には回転数の増大につれてトルクは１３０Ｎｍから次第に減少させることになる。

図６はドリル３Ａを用いて穴明け加工を行う場合の「トルク−時定数特性」を示すテーブルであり、ドリル３ＡによってワークＷの穴明け加工を行う場合、二乗平均トルクの変動につれて定格トルクを越えないようにサーボモータＭの早送り時定数を調整するように設定している。本実施形態においては、オーバーヒートを起こさないために、ドリル３ＡによるワークＷの深穴加工において、サーボモータＭの二乗平均トルクが定格トルクを越えないように図６に示す予め設定した「トルク−時定数特性」に基づいて、早送り時定数を変更するように制御するものである。

本実施形態による工作機械１の制御装置７は上述の構成を備えており、次にドリル３Ａで上述した穴明け加工を行う場合の制御方法について図７及び図８に示すフローチャートに沿って説明する。
先ず、ドリル３Ａによる穴加工切削を行うためのサーボモータＭの駆動条件として二乗平均トルクの算出手順について図７により説明する。
ドリル３Ａを基準位置ＲからＺ軸方向に送って１回の往復動による穴加工を行い、基準位置Ｒに戻す動作を１サイクルとして、例えば４段階で穴明けを完了する（図３参照）。そして、トルク検出センサ６で測定した微少（切削）時間Δｔ１、Δｔ２、…当たりの各トルクの測定値Ａ１、Ａ２、…（図４参照）を順次読み込み（ステップ１０１）、ＮＣ装置５を介して制御装置７のデータ送受信部９に送信して、演算指令部１１で各トルクの二乗平均トルクと微少時間の積を算出する（ステップ１０２）。

また、それぞれトルク検出センサ６で検知した各トルクのデータからピークトルク（最大トルク）を検知し、ピークトルクと予め設定されたサーボモータＭの定格トルクとの比率を算出する（ステップ１０３）。これらの演算結果はディスプレイ１３に表示する（ステップ１０４）。
そして、微少時間−トルクの積、トルクが定格トルクを越えた時間の積算（Ｔ１）、非切削状態を示す基準トルク以下の時間の積算（Ｔ２）を行い（ステップ１０５）。その後、上述の積算を全て終了させた場合には積算エンド指令を出力し、積算エンド指令がない場合には上述の積算を全て終了させていないと判定して、ステップ１０１に戻る（ステップ１０６）。

積算エンド指令が出力された場合には微少時間Ｔ１、Ｔ２、…を算出してこれらの和から１サイクルのトータル時間Ｔを算出し（ステップ１０７）、これをメモリ１０に記憶させる。次に、１サイクルにおける微少時間Δｔ１、Δｔ２、…とトルクＡ１、Ａ２、…とから二乗平均トルクＴｒｍｓを下記（１）式で求め、これをメモリ１０に記憶する（ステップ１０８）。
Ｔｒｍｓ＝√{（Ａ１^２Δｔ１＋Ａ２^２Δｔ２＋……）／Ｔ} ……（１）
この二乗平均トルクＴｒｍｓやピークトルクと定格トルクとの比を算出して（ステップ１０９）、ディスプレイ画面１３にそれぞれ表示する（ステップ１１０）。

次に、二乗平均トルクが定格トルクを越えていて定格トルクに対する比率が１以上である場合における、ドリル３Ａの早送り時定数を変更する制御方法について説明する。
図８において、作業者の操作により早送り時定数変更スイッチ１５がＯＮ状態か否かを判断する。ＮＯである場合には時定数を変更する処理を行わず終了し、ＹＥＳである場合には時定数の変更処理を行う（ステップ２０１）。後者の場合、先ずメモリ１０から二乗平均トルクＴｒｍｓを演算指令部１１に読み込み（ステップ２０２）、図６に示す「トルク−時定数」テーブルを読み込む（ステップ２０３）。
そして、工作機械１における、二乗平均トルクＴｒｍｓが定格トルク以下か否かを判別し（ステップ２０４）、ＹＥＳの場合には連続切削可能であるから時定数変更プログラムを終了する。ＮＯの場合には、図４に示す微少時間とサーボモータＭのトルクとの関係を特定するドリル切削を行った際の（現状の）時定数を旧時定数として読み込む（ステップ２０５）。次いで、図６に示すトルク−時定数」テーブルから上述した実測値に基づく二乗平均トルクＴｒｍｓに対応する時定数を新時定数として算出する（ステップ２０６）。

次に、これら新旧の時定数を比較して（ステップ２０７）、旧時定数の方が大きい場合にはより短い新時定数に変更するとサーボモータＭの負荷が増大してオーバーヒートになり過負荷となるから、変更しないで時定数変更プログラムを終了する。
一方、新時定数の方が大きい場合には、サーボモータＭの負荷が減少してオーバーヒートをなくすことができるから、サーボモータＭの新たな時定数を、より間隔の長い新時定数に変更し（ステップ２０７）、これをディスプレイ１３画面に表示する（ステップ２０８）。
そして、得られた新たな時定数を制御装置７のデータ送受信部９からＮＣ装置５に入力して、この新たな時定数に基づいて駆動指令を送信してサーボモータＭを駆動制御する。即ち、複数段階、例えば４段階に分割してドリル３Ａを早送り切削する際に、二乗平均トルクＴｒｍｓが定格トルクを越える場合に、時定数を従来よりも長くして定格トルク以内に制御し、ドリル３Ａを順次早送り切削してワークＷを穴明け加工する。これによってサーボモータＭのオーバーヒートをなくし、過負荷を防止するように制御した。

従って、本実施形態による工作機械１の制御装置７及び制御方法によれば、サーボモータＭのトルクの実測値から二乗平均トルクを算出すると共に、この二乗平均トルクが定格トルクを越える場合でも、時定数を延ばすよう変更することで、サーボモータＭがオーバーヒートにならないように制御できる。これにより、サーボモータＭの過負荷を生じ易い専用機的なハイサイクル加工において、切削条件の設定が容易となり、過負荷を回避することでワークＷやドリル３Ａや工作機械１の損傷を防止することができる。
また、本実施形態のような工作機械１の制御装置７や方法はハイサイクル加工であるために長時間の使用ではオーバーヒートを起こし過負荷となり易いが、時定数を変更することによって二乗平均トルクを定格トルク以内に制御して確実にオーバーヒートや過負荷を防止できる。そのため、時定数を短くするような制御の場合には、時定数の変更を停止させることでオーバーヒートや過負荷を抑止できる。
また、二乗平均トルク、ピークトルク（最大トルク）及びこれらトルクの定格トルクに対する比率、そして新時定数をディスプレイ画面１３に表示することで作業者に情報を提供して作業の助けとすることができる。

次に本発明の他の実施形態による工作機械１の制御装置７及び制御方法について説明するが、上述した実施形態と同一または同様な部材、部分については同一の符号を用いて説明を省略する。
以下、本発明の第二の実施の形態による工作機械の制御装置及び制御方法について図１、図９乃至図１１に基づいて説明する。
第二の実施形態における工作機械１の制御装置７及び制御方法は、ドリル３Ａの深穴加工に代えてギヤシェーパによるギヤシェーピング加工に関するものである。
図９（ａ）及び（ｂ）において、パレットに保持されたワークＷの内面に円形の下穴ｗ１を加工し、主軸２に装着された工具３としてギヤシェーピングカッタ３Ｂを下穴ｗ１の内面に切り込みつつＺ軸方向に往復動させることで、ギヤシェーピング加工を行うものである。ギヤシェーピング加工に際して、ギヤシェーピングカッタ３ＢをＺ軸方向に例えばＦ１０〜１５ｍ／ｍｉｎの送り速度で往復動させてワークＷの下穴ｗ１の内面に切り込み、主軸２の中心軸線周りに自転させながら下穴ｗ１の内面に沿って公転させる。そして下穴ｗ１の内面に対するギヤシェーピングカッタ３Ｂの内面への切り込み量を徐々に深くしていくことで歯を形成し、ギヤ加工を行うことになる。

また、制御装置７における演算指令部１１には、図１０に示すように、二乗平均トルク算出手段１１ａと、二乗平均トルクに応じてドウェルタイム（休止時間）を予めメモリ１０に記憶しておいた下記のドウェルタイム計算式に基づいて変更するドウェル変更手段１１ｃとが設けられている。ドウェルタイムをＴｄとして、その計算式は下記（２）式の通りである。
Ｔｄ＝{（Ａ１^２Δｔ１＋Ａ２^２Δｔ２＋……）／Ｔｃｏｎ}−Ｔ……（２）
但し、Ｔｃｏｎ：サーボモータＭの定格トルク
なお、定格トルクＴｃｏｎは安全を考慮して定格トルクの９０％にする等の考慮を加える。

本第二実施形態による工作機械１の制御装置７は上述した第一実施形態によるものと同一である。特に、ギヤシェーピング加工においては、工作機械１のサーボモータＭに接続されたサーボアンプ内のトルク検出センサ６は、ギヤシェーピングカッタ３ＢのＺ軸方向の切り込みによるトルクを検出して、ＮＣ装置５に送信する。制御装置７において、演算指令部１１では、ドウェルタイム変更手段１１ｃで各種データに基づいてドウェルタイムを演算するようにしている。
演算指令部１１に接続された機能スイッチ入力部１４には、（早送り）時定数変更スイッチ１５、ドウェルタイムの変更を可能状態にするドウェルタイム変更スイッチ１６、再開スイッチ１７等が設けられている。

ギヤシェーピングカッタ３Ｂによるギヤシェーパ加工は専用機的でハイサイクル加工であり、長時間の切削加工ではサーボモータＭがオーバーヒートによる過負荷になり易い。加工条件の設定時に、判断基準となる加工時のサーボモータＭの二乗平均トルクＴｒｍｓの演算が困難であるが、ギヤシェーピングカッタ３Ｂによる１往復の実動作を行うことで、例えば図４に示す「トルク−時間」特性を示すグラフ図が得られる。この結果から、演算指令部１１内の二乗平均トルク算出手段１１ａによって二乗平均トルクＴｒｍｓを演算できる。これをディスプレイ１３に表示することで二乗平均トルクＴｒｍｓの演算結果が画面に表示されるため、切削条件の設定が容易になり、加工途中で過負荷で停止してワークＷ、ギヤシェーピングカッタ３Ｂ、工作機械３が破損したりするのを防止できる。

次に、本第二実施形態による工作機械１を用い、二乗平均トルクが定格トルクを越えている場合における、ギヤシェーピング加工におけるドウェルタイムを変更する制御方法について図１１に示すフローチャートによって説明する。
先ず、図１に示す制御装置７において、ドウェル変更スイッチ１６がＯＮか否かを判別し（ステップ３０１）、ＮＯである場合にはドウェルタイムの変更を行わず終了する。ドウェル変更スイッチ１６がＯＮである場合には、上述したメモリ１０から、ギヤシェーピング加工において予め設定した（図７に示すフローチャートで算出した）二乗平均トルクＴｒｍｓを読み込み、演算指令部１１に読み込む（ステップ３０２）。更にギヤシェーピング加工１サイクルの予め設定された１サイクルのトータル時間Ｔを読み込む（ステップ３０３）。
そして、二乗平均トルクＴｒｍｓがサーボモータＭの定格トルク以内か否かを判別する（ステップ３０４）。二乗平均トルクＴｒｍｓが定格トルク以内であればドウェルタイムを変更する必要なく連続して切削加工できるので、ドウェルタイムの変更制御を終了する。二乗平均トルクＴｒｍｓが定格トルクを越える場合には、演算指令部１１内のドウェルタイム変更手段１１ｃにおいて上記（２）式のドウェルタイムＴｄの計算式によって新たなドウェルタイムＴｄを算出する（ステップ３０５）。

ここで、ギヤシェーピング加工等の切削送りでは、切削時の切削送り速度を変更すると加工形状の精度に影響を及ぼすため、送り速度を変更せずに１サイクルの切削送りの間隔であるドウェルタイムを（２）式により増減調整して新たなドウェルタイムＴｄを得ることで二乗平均トルクＴｒｍｓが定格トルク以下に収まるように調整する。
そして、先の定格トルクを越える二乗平均トルクＴｒｍｓにおける旧のドウェルタイムと新たに演算したドウェルタイムＴｄとを比較する（ステップ３０７）。そして、旧のドウェルタイムの方が長い場合には新のドウェルタイムＴｄに変更すると二乗平均トルクＴｒｍｓが定格トルクよりも更に大きくなり切削送りが加速されて過負荷になるため、ドウェルタイムの変更を終了する。
一方、新のドウェルタイムＴｄの方が旧のドウェルタイムより長い場合には新のドウェルタイムに変更することで（ステップ３０８）、二乗平均トルクＴｒｍｓを定格トルク以下に抑える。換言すれば、新のドウェルタイムＴｄは二乗平均トルクを定格トルク内に収めるように調整できる値に変更するものである。そして、新たなドウェルタイムＴｄをディスプレイ１３に画面表示する（ステップ３０９）。

このように、ギヤシェーピングカッタ３Ｂによって切削送りする際に、二乗平均トルクＴｒｍｓが定格トルクを越える場合に、ドウェルタイムを現状よりも長い新たなドウェルタイムに変更する。
そして、得られた新たなドウェルタイムを制御装置７のデータ送受信部９からＮＣ装置５に入力して、この新たなドウェルタイムに基づいて駆動指令を送信してサーボモータＭを駆動制御する。即ち、ワークＷの下穴ｗ１内面へシェーピングカッタ３Ｂを第一段階の切り込みを行い、切削送りしつつシェーピングカッタ３Ｂを自転及び公転させる。
第一段階の加工終了後にワークＷから外れた基準位置Ｒにギヤシェーピングカッタ３Ｂを戻し、ドウェルタイムの間休止させる。次に新たなドウェルタイム経過後に、下穴ｗ１内面への切り込みを更に深くして同様に切削送りする。このようにして、複数段階に分けてワークＷの下穴ｗ１内面への切り込みを順次深くしつつ切削送りすることで内面にギヤ加工を行う。
これによってサーボモータＭのオーバーヒートを防止して過負荷をなくすように制御した。

従って、本実施形態による工作機械１の制御装置７及び制御方法によれば、サーボモータＭのトルクの実測値から二乗平均トルクを算出すると共に、この二乗平均トルクが定格トルクを越える場合でも、ドウェルタイムを延ばすよう変更することで定格トルク以内に収めて、サーボモータＭがオーバーヒートしないように制御できる。これにより、サーボモータＭの過負荷を生じ易い専用機的なハイサイクル加工において、切削条件の設定が容易となり、過負荷を回避することでワークや工具や工作機械１の損傷を防止することができる。
また、本実施形態のような工作機械１の制御装置７や方法はハイサイクル加工であるために長時間の使用ではオーバーヒートし過負荷になり易いが、ドウェルタイムを長く変更することによって確実にオーバーヒートや過負荷を防止できる。また、ドウェルタイムだけでなく、二乗平均トルク、ピークトルク（最大トルク）、これらのトルクと定格トルクとの比率、をディスプレイ１３に表示することで作業者に情報を提供して作業の助けとすることができる。

次に、本発明の第三の実施の形態による工作機械の制御装置及び制御方法について図１、図１２乃至図１４に基づいて説明する。
第三の実施形態における工作機械１の制御装置７及び制御方法は、第一実施形態と同様にドリル３Ａの深穴切削による穴加工に関するものである。
本第三実施形態では、例えばドリル３Ａによる深穴加工に関するものであり、繰り返し穴明け加工を行う際、工具摩耗等の原因によって途中でモータトルクが上昇して定格トルクを越えてしまった場合、図１２に示す過負荷デューティ特性のテーブルに基づいて残りの定格トルクを越えた状態での切削時間をディスプレイに表示すると共に、サーボモータＭが過負荷になる前に深穴ステップ加工サイクルの戻り位置Ｒでドリル３Ａを停止させると共に、再開スイッチ１７がＯＮの場合に、非切削時間の間停止後に切削加工を再開させて過負荷を回避するようにしたものである。
第三実施形態による制御装置７における演算指令部１１には、図１３に示すように二乗平均トルク算出手段１１ａと、「過負荷デューティ特性」のテーブルＤ２に基づいて定格トルクを越えた状態での切削時間を設定する切削制御手段１１ｄとが設けられている。

次にドリル３による穴加工における「過負荷デューティ特性」のテーブルＤ２を作成する。テーブルＤ２作成に際して、図１に示す工作機械１を用いてサーボモータＭを駆動源としてドリル３でワークＷの穴加工を行い、設定したトルクパーセントに応じたデューティ（時間％）に対してドリル３によるサーボモータＭの過負荷になるまでの耐え得る時間を負荷時間（秒）として測定する。
ここで、トルクパーセントは、サーボモータＭについて、（１）式によって演算した二乗平均トルクＴｒｍｓが定格トルクを越えた場合の割合を示すものであり、[二乗平均トルクＴｒｍｓ／定格トルク]によって、例えば１１０％、１２０％、１３０％、１４０％、１５０％、１７０％、２１０％、ＭＡＸと設定する。そして、定格トルクを越えて切削する時間をＴ１、過負荷を防ぐために切削しない非切削時間をＴ２とすると、デューティ（時間％）＝{Ｔ１／（Ｔ１＋Ｔ２）}×１００によって算出される。
このように設定した各トルクパーセントのデューティ（時間％）に対してドリル３による穴加工切削を行い、定格トルクを越えていて過負荷にならずに切削できる時間を負荷時間として測定し、図１３に示すテーブルＤ２を作成した。この「過負荷デューティ特性」テーブルＤ２に基づいて深穴加工を繰り返して行った場合の過負荷を回避する加工制御方法について説明する。

本第三実施形態において、工作機械１を用い、工具摩耗等でサーボモータＭのモータトルクが定格トルクを越えた場合における、過負荷を回避したドリル３の深穴加工について図１４に示す過負荷前停止フローチャートに基づいて説明する。
先ず、図１に示す制御装置７において、先に作成した図１２に示す「過負荷デューティ特性」テーブルＤ２をメモリ１０に読み込む（ステップ４０１）。そして、ワークＷの深穴加工が完了したか否かを判別し（ステップ４０２）、ＮＯの場合には二乗平均トルク算出のために、ドリル３による穴加工におけるトルクとその微少時間を読み込み（ステップ４０３）、トルクと微少時間の積を演算する（ステップ４０４）。
そして、読み込んだトルクとその微少時間からサーボモータＭの定格トルクを越えた時間を積算し（定格トルクを越えた時間Ｔ１）、基準トルク以下の切削しない時間を積算する（非切削時間Ｔ２）。次いで、これらの入力データから二乗平均トルク、二乗平均トルクと定格トルクとの比、トルクパーセントを算出し（ステップ４０６）、これらをディスプレイ１３に表示する（ステップ４０７）。

次に、トルクパーセント（＝二乗平均トルクＴｒｍｓ／定格トルク）が１００％以内か否かを判別し（ステップ４０８）、１００％以内である場合にはステップ４０１に戻って深穴加工を継続する。１００％を越えた場合には定格トルクを越えた切削時間Ｔ１と非切削時間Ｔ２からデューティ（時間％）を算出し、このデューティ（時間％）からメモリ１０から読み出した図１２に示す「過負荷デューティ特性」テーブルＤ２から、定格トルクを越えていても切削可能な時間である負荷時間（切削可能時間）を演算する（ステップ４０９）。
そして、前回の加工に要したワンショット分の負荷時間を減算した残りの負荷時間を演算し（ステップ４１０）、この残りの負荷時間をタイマでタイマカウントする（ステップ４１１）と共にディスプレイ１３に表示する（ステップ４１２）。残りの負荷時間が残っている場合にはステップ４０１に戻って更に深穴加工を行い、演算した負荷時間を全て消費した場合にはドリル３をＲ点位置（図３参照）に戻して（ステップ４１３、４１４）ドリル３の切削送りを停止させる（ステップ４１５）。

ここで、予めドリル３の深穴加工の再開スイッチ１７がＯＮ状態にあるか否かを判別し（ステップ４１６）、ＯＦＦ状態である場合には切削加工を終了する。再開スイッチ１７がＯＮ状態にある場合には、負荷時間の深穴加工によって過熱したサーボモータＭが冷えて再度稼働できる状態になるまでの時間をカウントする（ステップ４１７）と共にこれをディスプレイ１３に表示する（ステップ４１８）。そして、サーボモータＭが稼働再開可能となる非切削時間Ｔ２が経過したか否かを判別し（ステップ４１９）、非切削時間Ｔ２が経過した場合には深穴切削の再開をディスプレイ１３に表示すると共にドリル３の送り停止を解除する（ステップ４２１）。そして、ステップ４０１に戻って加工を再開する。

上述のように、本第三実施形態による工作機械１の制御方法によれば、ドリル３Ａによって繰り返し穴開け加工を行う際、工具摩耗等の原因によって途中でモータトルクが上昇して定格トルクを越えてしまった場合でも、過負荷デューティ特性テーブルに基づいて定格トルクを越えて切削可能な負荷時間を算出してカウントでき、また負荷時間を消費し終えた場合でも、非切削時間Ｔ２を確認して切削を再開するよう制御できる。そのため、切削加工を繰り返して行う途中で、過負荷でサーボモータＭが停止してワークＷやドリル３Ａや工作機械等を損傷することを防止でき、過負荷を回避できる。また、工具３が摩耗したとしても継続して切削加工できる。

なお、上述の各実施形態において、ドリル３Ａを用いた深穴加工またはギヤシェーピングカッタ３Ｂを用いたギヤシェーピング加工の一方について説明したが、他方についても各実施形態の切削加工に採用できる。
また、ドリル３Ａやギヤシェーピングカッタ３Ｂ等の工具の駆動源としてサーボモータＭを用いたが、サーボモータに限定されることなく他のモータ等を用いてもよい。

本発明の実施形態による工作機械の制御装置の要部構成を示す図である。 第二実施形態における演算指令部のブロック図である。 第一の実施形態による工作機械の制御装置にドリルを装着した場合のワークに対する深穴加工工程を示す説明図である。 １サイクルにおけるトルクと時間の関係を示す波形図である。 サーボモータの回転数とトルクに関する「速度−トルク特性」を示す図である。 第一実施形態における「トルク−時定数特性」のテーブルを示す図である。 工具による切削加工における二乗平均トルクの算出方法を示すフローチャートである。 深穴加工を行うための早送り時定数を変更する制御方法を示すフローチャートである。 第二実施形態におけるギヤシェーピングカッタによるギヤシェーピング加工状態を示すもので、（ａ）はカッタの送り方向から見た平面図、（ｂ）は同じく側面図である。 第二実施形態における演算指令部のブロック図である。 第二実施形態によるギヤシェーピング加工におけるドウェルタイムの変更工程を示すフローチャートである。 第三実施形態によるドリル深穴加工における「過負荷デューティ特性」のテーブルである。 第三実施形態における演算指令部のブロック図である。 過負荷デューティ特性テーブルを用いた過負荷前停止制御方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 工作機械
２ 主軸
３ 工具
３Ａ ドリル
３Ｂ ギヤシェーピングカッタ
７ 制御装置
１０ メモリ
１１ 演算指令部
１１ａ 二乗平均トルク算出手段
１１ｂ 早送り時定数変更手段
１１ｃ ドウェルタイム変更手段
１１ｄ 切削制御手段
１３ ディスプレイ
１４ 機能スイッチ入力部
１５ 早送り変更スイッチ
１６ ドウェルタイム変更スイッチ
１７ 再開スイッチ
Ｍ サーボモータ

Claims (13)

1. 工作機械の主軸に装着された工具によってワークを切削加工するようにした工作機械の制御方法において、
   実際に切削する工具の駆動源であるモータのトルクと当該トルクを生じる微少時間との積算を行って二乗平均トルクを算出し、
   該二乗平均トルクが前記モータの定格トルクを越えた場合、予め設定された「トルク−時定数特性」テーブルに基づいて工具の早送り時定数を延長する方向で変更して、前記モータの二乗平均トルクが定格トルクを越えないように制御することを特徴とする工作機械の制御方法。
2. 前記モータの前記二乗平均トルク及びピークトルクとこれらの定格トルクに対する比率、変更後の早送り時定数をディスプレイに表示するようにした請求項１に記載された工作機械の制御方法。
3. 前記工具による切削加工が、ドリルを用いた深穴加工またはギヤシェーピングカッタを用いたギヤシェーピング加工である請求項１または２に記載された工作機械の制御方法。
4. 工作機械の主軸に装着された工具によってワークを切削加工するようにした工作機械の制御方法において、
   実際に切削する工具の駆動源であるモータのトルクと当該トルクを生じる微少切削時間との積算を行って二乗平均トルクを算出し、
   該二乗平均トルクが前記モータの定格トルクを越えた場合、ドウェルタイムを延長する方向で変更して、前記モータの二乗平均トルクが定格トルクを越えないように制御することを特徴とする工作機械の制御方法。
5. 前記モータの前記二乗平均トルク及びピークトルクとこれらの定格トルクに対する比率、変更後のドウェルタイムをディスプレイに表示するようにした請求項４に記載された工作機械の制御方法。
6. 前記工具による切削加工がギヤシェーピングカッタを用いたギヤシェーパ加工である請求項４または５に記載された工作機械の制御方法。
7. 工作機械の主軸に装着された工具によってワークを切削加工するようにした工作機械の制御方法において、
   実際に切削する工具の駆動源であるモータのトルクと当該トルクを生じる微少切削時間との積算を行って二乗平均トルクを算出し、
   該二乗平均トルクが前記モータの定格トルクを越えた場合、モータの「過負荷デューティ特性」のテーブルに基づいて定格トルクを越える二乗平均トルクで過負荷にならずに切削可能な負荷時間を算出し、該負荷時間の範囲内で定格トルクを越えるトルクで切削するようにしたことを特徴とする工作機械の制御方法。
8. 前記負荷時間が経過した過負荷前の時点で、工具による切削を停止させるようにした請求項７に記載された工作機械の制御方法。
9. 前記工具による切削を停止させた状態で、再開スイッチがＯＮの場合、所定の切削停止時間が経過した後で切削加工を再開するようにした請求項８に記載された工作機械の制御方法。
10. 前記モータの前記二乗平均トルク、ピークトルク、及びこれらの定格トルクに対する比率、前記負荷時間をディスプレイに表示するようにした請求項７乃至９のいずれかに記載された工作機械の制御方法。
11. 工作機械の主軸に装着された工具によってワークを切削加工するようにした工作機械の制御装置において、
    主軸に装着された工具を駆動するモータと、該モータの切削によるトルクを測定するトルク検出センサと、
    後記二乗平均トルクの変動に対して定格トルクを越えないように時定数を設定した「トルク−時定数特性」テーブルを記憶するメモリと、
    前記トルクと当該トルクを生じる微少時間との積算を行って前記二乗平均トルクを算出する二乗平均トルク算出手段と、前記二乗平均トルクが前記モータの定格トルクを越えた場合に前記「トルク−時定数」テーブルに基づいて二乗平均トルクが定格トルクを越えないように工具の早送り時定数を変更する早送り時定数変更手段とを備えた演算指令部と、
    前記時定数を変更可能とする時定数変更可能スイッチと、
    前記二乗平均トルクと前記定格トルクに対する二乗平均トルクの比率と変更した時定数とを表示するディスプレイとを備えたことを特徴とする工作機械の制御装置。
12. 工作機械の主軸に装着された工具によってワークを切削加工するようにした工作機械の制御装置において、
    主軸に装着された工具を駆動するモータと、該モータの切削によるトルクを測定するトルク検出センサと、
    前記トルクと当該トルクを生じる微少時間との積算を行って二乗平均トルクを算出する二乗平均トルク算出手段と、前記二乗平均トルクが前記モータの定格トルクを越えた場合に前記二乗平均トルクが定格トルクを越えないようにドウェルタイムを変更するドウェルタイム変更手段とを備えた演算指令部と、
    前記ドウェルタイムを変更可能とするドウェルタイム変更可能スイッチと、
    前記二乗平均トルクと前記定格トルクに対する二乗平均トルクの比率と前記変更したドウェルタイムとを表示するディスプレイとを備えたことを特徴とする工作機械の制御装置。
13. 工作機械の主軸に装着された工具によってワークを切削加工するようにした工作機械の制御装置において、
    主軸に装着された工具を駆動するモータと、該モータの切削によるトルクを測定するトルク検出センサと、
    後記二乗平均トルクが前記モータの定格トルクを越えた場合、該定格トルクを越えた切削時間と切削を停止した非切削時間との関係に基づいて前記定格トルクを越えるトルクで過負荷にならずに切削可能な負荷時間を設定した前記モータの「過負荷デューティ特性」のテーブルを記憶するメモリと、
    前記トルクと当該トルクを生じる微少時間との積算を行って前記二乗平均トルクを算出する二乗平均トルク算出手段と、前記二乗平均トルクが前記定格トルクを越えた場合に前記「過負荷デューティ特性」テーブルによって前記負荷時間を設定して該負荷時間の範囲内で定格トルクを越えるトルクで切削する切削制御手段とを備えた演算指令部と、
    前記二乗平均トルクと前記定格トルクに対する二乗平均トルクの比率と前記負荷時間とを表示するディスプレイとを備えたことを特徴とする工作機械の制御装置。

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