JP2012243009A - タップ加工を行う工作機械の制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】オーバヒートの防止、最適な加工精度および工具折損防止を実現する。
【解決手段】タップが取付けられていて回転する主軸と、主軸を送り出す送り軸とによってタップ加工を行う工作機械（１８）を制御する制御装置（１０）において、タップの寸法の指標を識別する識別部（１２）と、主軸を駆動するモータ（１９ａ）の温度を検出する温度検出部（１９ｂ）と、タップの寸法の指標に対応した主軸の加速度を記憶する加速度記憶部（２１）と、モータの温度に応じて主軸の加速度を変更する割合を記憶する割合記憶部（２２）と、識別部により識別されたタップの寸法の指標と加速度記憶部とから定まる加速度に、温度検出部により検出された温度と割合記憶部とから定まる割合を乗算して、主軸の新たな加速度を算出する加速度算出部（１６）とを具備する。タップの寸法の指標はタップのピッチまたはタップの工具番号でありうる。
【選択図】図１

Description

本発明は、タップが取付けられていて回転する主軸と、該主軸を送り出す送り軸とによってタップ加工を行う工作機械を制御する制御装置に関する。
従来、数値制御工作機械においては、工作機械に備えられた送り軸および主軸を駆動するモータの加減速度や最高速度を大きくし、それにより、加工時間を短縮して生産性を向上させている。このような制御を行うと、モータおよびアンプからなる各軸の駆動装置により大きな電流が流れ、また単位時間あたりのモータの加減速回数が多くなり、その結果、駆動装置が発熱するようになる。従来技術においては、発熱により駆動装置の温度が所定の温度まで上昇すると、アラームを発令して工作機械を停止させ、それにより、駆動装置が熱によって損傷するのを防止している。
しかしながら、加工中に工作機械が停止すると、加工効率が低下し、加工不良が発生する場合がある。さらに、工作機械が無人運転される場合には、操作者が工作機械を復旧させる必要があるので、工作機械が長時間に亙って停止したままとなる可能性もある。このような不都合を回避するために、従来では、所定の単位時間あたりの最大加減速回数の範囲内で余裕を持った加速度を設定し、それにより、駆動装置がオーバヒートするのを回避している。
しかしながら、駆動装置の温度上昇は、ワークの重量や材質、加工負荷、周囲温度などによっても異なるので、最大加減速回数内であっても駆動装置がオーバヒートする可能性がある。また、最大加減速回数を超えて加工した場合にも、同様にオーバヒートになる可能性がある。そこで、特許文献１および特許文献２においては、駆動装置のオーバヒートを防止して運転を継続できる装置または方法が開示されている。
特許文献１は、駆動部の温度が所定の温度以上になると、加速度を制限して駆動部の出力を抑制することを開示している。特許文献２は、駆動手段の温度や加減速回数に基づいて、送り軸の加減速時定数をオーバヒートすることのない適正値に制御する方法を開示している。
特開２００３−５８３６号公報 特開平９−１７９６２３号公報
特許文献１および特許文献２においては、駆動装置の指令送り速度を変更することなしに加速度を変更している。このため、特許文献１および特許文献２においては加工時間をあまり増大させることなしに加工できるが、駆動部の温度や加減速回数に応じて加速度を変更するので、加工の内容に関わらず加速度が変化することとなる。
また、マシニングセンタにおいては、一般的に加減速時における発熱は、送り軸よりも主軸の方が大きい。例えばタップ加工においては、主軸の加速および減速を繰返すので、加工数が多いと主軸の発熱が大きくなる。また、タップ加工においては主軸と送り軸とを同期させるので、加工動作の大部分において加減速が必要となる。このため、主軸の加速度を大きくすると、発熱が大きくなるばかりではなく、送り軸に対する同期誤差も大きくなって加工精度が低下する可能性がある。
さらに、小径のタップ加工においては、加工工具が折損する可能性がある。また、加工精度が必要求されるタップ加工や小径タップ加工にあわせて小さな加速度を設定すると、加工時間が増大し加工効率が低下する可能性もある。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、タップ寸法に応じた適切な加速度に制御することにより、オーバヒートの防止、最適な加工精度および工具折損防止を実現できる工作機械の制御装置を提供することを目的とする。
前述した目的を達成するために１番目の発明によれば、タップが取付けられていて回転する主軸と、該主軸を送り出す送り軸とによってタップ加工を行う工作機械を制御する制御装置において、前記タップの寸法の指標を識別する識別部と、前記主軸を駆動するモータの温度を検出する温度検出部と、前記タップの寸法の指標に対応した前記主軸の加速度を記憶する加速度記憶部と、前記モータの温度に応じて前記主軸の加速度を変更する割合を記憶する割合記憶部と、前記識別部により識別された前記タップの寸法の指標と前記加速度記憶部とから定まる加速度に、前記温度検出部により検出された前記温度と前記割合記憶部とから定まる割合を乗算して、前記主軸の新たな加速度を算出する加速度算出部とを具備する、工作機械の制御装置が提供される。
２番目の発明によれば、１番目の発明において、前記タップの寸法の指標は前記タップのピッチであり、前記識別部は、前記工作機械の加工プログラムにおける主軸回転指令および送り軸送り速度指令からピッチを算出して、タップの寸法の指標を識別する。
３番目の発明によれば、１番目の発明において、前記タップの寸法の指標はタップの工具番号であり、前記識別部は、前記工作機械の加工プログラムにおける工具番号指令を読込んで、タップの寸法の指標を識別する。
４番目の発明によれば、１番目から３番目のいずれかの発明において、さらに、加工処理を一回行うのに要する加工時間をワーク毎に記憶する加工時間記憶部と、現在の加工数をカウントするカウンタと、前記加工時間記憶部に記憶された前記加速度が変更される前の加工時間および前記加速度が変更された後の加工時間と、前記カウンタにカウントされた現在の加工数を所定の総加工数から減算した残加工数とに基づいて、残加工数の加工処理が終了するのに要する時間を算出する終了予定時間算出部と、を具備する。
１番目の発明においては、タップの寸法の指標および主軸モータの温度に基づいて割合を定めて、加速度を変更している。このため、加工工具の折損が発生しやすい小径タップを用いる場合または高精度の加工が要求される場合には比較的小さい加速度（比較的大きい加減速時定数）を設定できる。さらに、加工工具の折損が発生し難い場合または高精度の加工が要求されない場合には比較的大きい加速度（比較的小さい加減速時定数）を設定できる。
特に、主軸モータの温度に基づいて加速度を変更する割合（オーバライド値）を定めているので、工作機械のオーバーヒートを容易に防止できる。また、割合を加速度に乗算することにより加速度を変更しているので、新たな加速度は、タップの寸法の指標のみに基づいて定まる加速度よりも大きくなることはない。従って、最適な加工精度および工具折損防止を実現することができる。
２番目の発明においては、タップのピッチを用いているので、加速度を正確に設定することができる。
３番目の発明においては、タップの工具番号を用いているので、加速度を簡易かつ迅速に設定することができる。
４番目の発明においては、新たな加速度が設定されたことにより変化する加工の終了予定時間を求めている。この終了予定時間は出力部を通じて操作者に通知できるので、加工終了後に行う検査作業などのスケジュールを容易に調整できる。
本発明に基づく工作機械の制御装置の機能ブロック図である。 本発明の第一の実施形態に基づく制御装置の動作を示すフローチャートである。 （ａ）タップのピッチと加速度との間の関係を示す図である。（ｂ）モータの温度とオーバライド値との間の関係を示す図である。 （ａ）タップのピッチと加減速時定数との間の関係を示す図である。（ｂ）モータの温度とオーバライド値との間の関係を示す図である。 本発明の第二の実施形態に基づく制御装置の第二の動作を示すフローチャートである。 （ａ）タップの加工工具の工具番号と加速度との間の関係を示す図である。（ｂ）タップの加工工具の工具番号と加減速時定数との間の関係を示す図４（ａ）と同様な図である。 本発明の他の実施形態に基づく制御装置の動作を示すフローチャートである。
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の図面において同様の部材には同様の参照符号が付けられている。理解を容易にするために、これら図面は縮尺を適宜変更している。
図１は本発明に基づく工作機械の制御装置の機能ブロック図である。図１に示される制御装置１０は、タップ加工を行う工作機械１８を制御するようになっている。このため、工作機械１８の主軸にはタップ（図示しない）が取付けられている。このタップは、主軸を駆動する主軸モータ１９ａにより回転し、送り軸を駆動する送り軸モータ（図示しない）によって送り出される。タップ加工においては、送り軸の動作は主軸の動作に同期するので、主軸モータ１９ａを制御することにより送り軸は自動的に制御されるものとする。
図１に示されるように、制御装置１０には、ワークの加工内容に応じて定まる複数の加工プログラム１１が格納されている。そして、制御装置１０は、加工プログラム１１を読取りこれを解釈してプログラムデータを作成するプログラム読取解釈部１２、プログラムデータを補間演算して位置指令データを作成する補間・加減速制御部１３、位置指令データに基づいて、工作機械１８の主軸モータ１９ａを駆動する動作指令を作成するモータ制御部１４、および動作指令を増幅して工作機械１８の主軸モータ１９ａに供給するモータ駆動アンプ１５を主に含んでいる。なお、主軸モータ１９ａには、その温度を検出する温度検出部１９ｂが備えられている。
さらに、制御装置１０は、各種の計算処理を行う算出部１６を含んでいる。算出部１６は、例えばタップの寸法の指標および主軸モータ１９ａの温度などに基づいて主軸モータ１９ａの新たな加速度を算出して補間・加減速制御部１３に通知する。また、算出部１６は、主軸モータ１９ａの加速度が変更された場合に、現在の加工数を所定の総加工数から減算した残加工数の加工処理が終了するのに要する終了予定時間を算出することもできる。さらに、制御装置１０は、そのような終了予定時間および各種のデータを出力する出力部１７、例えば液晶ディスプレイまたはプリンタを含んでいる。
さらに、制御装置１０のデータ記憶部２０は、タップのピッチまたは加工工具の工具番号と加速度および加減速時定数との間の関係をマップの形で記憶した加速度記憶部２１を含んでいる。また、データ記憶部２０は、温度検出部１９ｂにより検出された主軸モータ１９ａの温度とオーバライド値（加速度変更割合）との間の関係をマップの形で記憶した割合記憶部２２を含んでいる。さらに、データ記憶部２０は、ワーク（図示しない）の加工処理を一回行うのに要する加工時間を記憶する加工時間記憶部２３と、現在の加工数Ｃをカウントするカウンタ２４とを含んでいる。
図２は本発明の第一の実施形態に基づく制御装置の動作を示すフローチャートである。以下、図２を参照して、第一の実施形態に基づく制御装置１０の動作について説明する。なお、本発明の動作は、工作機械１８がワーク（図示しない）を加工しているときに所定の制御周期で行われるものとする。
はじめに、ステップＳ１０１においてプログラム読取解釈部１２が加工プログラム１１を読込み、ステップＳ１０２において加工プログラム１１内にタップ加工に関する記載が存在するか否かを確認する。
そして、タップ加工に関する記載が或る場合にはステップＳ１０３に進み、そのような記載が無い場合にはステップＳ１０１に戻る。ステップＳ１０３においては、プログラム読取解釈部１２は、作成されたプログラムデータから主軸回転指令Ｓおよび送り軸送り速度指令Ｆとを取得し、これらを算出部１６に供給する。
次いで、ステップＳ１０４においては、算出部１６がタップのピッチＰ（＝Ｆ／Ｓ）を算出する。次いで、ステップＳ１０５においては、温度検出部１９ｂが主軸モータ１９ａの温度ＴＭを検出して算出部１６に供給する。
なお、温度検出部１９ｂは主軸モータ１９ａに内蔵されていてもよいし、また主軸モータ１９ａ近傍に設けられていてもよい。あるいは、温度検出部１９ｂを直接的に検出する代わりに、主軸モータ１９ａに流れる電流値から主軸モータ１９ａの温度ＴＭを推定するようにしてもよい。
その後、ステップＳ１０６において算出部１６は、ピッチに応じて定まる加速度Ａ１と温度に応じて定まるオーバライドＡ２とを決定する。図３（ａ）はタップのピッチと加速度との間の関係を示す図である。図３（ａ）に示されるように、タップのピッチＰに対する適切な加速度Ａ１が予め実験等により求められていて、マップの形でデータ記憶部２０の加速度記憶部２１に記憶されている。
図３（ａ）からわかるように、タップのピッチＰに対する加速度Ａ１は所定範囲のピッチ毎に求められている。図３（ａ）においてはピッチＰが大きくなるほど、加速度Ａ１も大きくなるものとする。そして、ステップＳ１０６において算出部１６は、ピッチＰに基づいて加速度記憶部２１から加速度Ａ１を決定する。
また、図３（ｂ）はモータの温度とオーバライド値との間の関係を示す図である。図３（ｂ）は図３（ａ）と同様に実験等により作成されるが、図３（ｂ）においては主軸モータ１９ａの温度ＴＭが高くなるほどオーバライド値Ａ２は低下するものとし、また、図３（ｂ）におけるオーバライド値Ａ２の上限値は１００％である。ステップＳ１０６において算出部１６はさらに、温度ＴＭに基づいて割合記憶部２２からオーバライド値Ａ２を決定する。
その後、ステップＳ１０７において算出部１６は加速度Ａ１およびオーバライド値Ａ２に基づいて新たな加速度Ａ０（＝Ａ１×Ａ２）を算出する。最終的に、算出された新たな加速度Ａ０は補間・加減速制御部１３に供給され、新たな加速度Ａ０に基づいて工作機械１８の主軸モータ１９ａを駆動する。
ところで、本発明においては、加速度Ａ１の代わりに、加減速時定数を用いて新たな加速度Ａ０を決定するようにしてもよい。図４（ａ）はタップのピッチと加減速時定数との間の関係を示す図であり、加速度記憶部２１に同様に記憶されている。図４（ａ）においては、タップのピッチＰが大きくなるほど、加減速時定数Ａ３は小さくなるものとする。
また、図４（ｂ）はモータの温度とオーバライド値との間の関係を示す図であり、割合記憶部２２に同様に記憶されている。そして、図４（ｂ）においては主軸モータ１９ａの温度ＴＭが高くなるほど、オーバライド値Ａ４は増大するものとし、また、図４（ｂ）におけるオーバライド値Ａ４の下限値は１００％である。このような場合には、図２を参照して説明したのと同様に、算出部１６が加速度記憶部２１から加減速時定数Ａ３を決定し、温度ＴＭに基づいて割合記憶部２２からオーバライド値Ａ４を決定する。そして、算出部１６は新たな加減速時定数Ａ０’（＝Ａ３×Ａ４）を算出する。その後、新たな加減速時定数Ａ０’を補間・加減速制御部１３に供給し、新たな加減速時定数Ａ０’に基づいて工作機械１８の主軸モータ１９ａを駆動する。
このように本発明においては、タップのピッチに応じて加速度または加減速時定数を最適に設定できる。言い換えれば、加工工具の折損が発生しやすい小径タップを用いる場合または高精度の加工が要求される場合には比較的小さい加速度（比較的大きい加減速時定数）を設定し、加工工具の折損が発生し難い場合または高精度の加工が要求されない場合には比較的大きい加速度（比較的小さい加減速時定数）を設定できる。このため、本発明では、効率の良いタップ加工を行うことが可能となる。
さらに、本発明では、主軸モータの温度に基づいて加速度を変更する割合（オーバライド値）を定めているので、工作機械のオーバーヒートを容易に防止できる。また、割合を加速度に乗算することにより新たな加速度を算出しているので、新たな加速度は、タップのピッチのみに基づいて定まる加速度よりも大きくなることはない。従って、オーバーヒートの発生を防止しつつ、最適な加工精度および工具折損防止を実現することができる。
ところで、図３および図４を参照して説明した実施形態においてはタップのピッチをタップの寸法の指標として使用している。実際には、使用される加工工具が定まればタップの寸法が決まるので、本発明の第二の実施形態においては加工工具の工具番号をタップの寸法の指標として使用することができる。図５は、本発明の第二の実施形態における制御装置の動作を示すフローチャートである。以下、図５を参照して、第二の実施形態に基づく制御装置１０の動作について説明する。
はじめに、ステップＳ１１１においてプログラム読取解釈部１２が加工プログラム１１を読込み、ステップＳ１１２において加工プログラム１１内に加工工具の交換指令が存在するか否かを確認する。
そして、交換指令に関する記載が或る場合にはステップＳ１１３に進み、そのような記載が無い場合にはステップＳ１１１に戻る。ステップＳ１１３においては、プログラム読取解釈部１２は、工具交換指令を取得して、算出部１６に供給する。そして、算出部１６は、工具番号に応じて定まる加速度Ａ１を決定する。
図６（ａ）はタップの加工工具の工具番号と加速度との間の関係を示す図である。図６（ａ）に示されるように、加工工具の工具番号Ｔに対する適切な加速度Ａ１が予め実験等により求められていて、マップの形でデータ記憶部２０の加速度記憶部２１に記憶されている。
次いで、ステップＳ１１４において、温度検出部１９ｂが主軸モータ１９ａの温度を検出して算出部１６に供給する。そして、ステップＳ１１５において、図３（ｂ）に示されるのと同様な割合記憶部２２のマップからオーバライド値Ａ２を決定する。最終的に、ステップＳ１１６において、算出部１６が新たな加速度Ａ０（＝Ａ１×Ａ２）を算出して、前述したのと同様に主軸モータ１９ａが制御される。
また、図６（ｂ）はタップの加工工具の工具番号と加減速時定数との間の関係を示す図４（ａ）と同様な図である。算出部１６が図６（ｂ）に示されるマップから加減速時定数Ａ３を決定し、図４（ｂ）に示されるのと同様な割合記憶部２２のマップからオーバライド値Ａ４を決定する。その後、算出部１６によって新たな加減速時定数Ａ０’（＝Ａ３×Ａ４）を算出して、同様に主軸モータ１９ａを駆動してもよい。
このような場合には、タップの加工工具の工具番号に応じて加速度または加減速時定数を設定できる。すなわち、工具折損が発生しやすい小径タップや加工精度が必要な加工に対しては小さい加速度（大きい加減速時定数）を設定し、工具折損や加工精度が問題にならないような加工に対しては大きい加速度（小さい加減速時定数）を設定できる。従って、図５および図６に示される実施形態においても効率の良いタップ加工を行えるのが分かるであろう。
さらに、図７は本発明の他の実施形態に基づく制御装置の動作を示すフローチャートである。以下、図７を参照して、本発明の他の実施形態に基づく制御装置１０の動作について説明する。
はじめに、ステップＳ１２１において、ワーク（図示しない）に対する一回の加工処理が完了したか否かを判定する。そして、加工処理が完了している場合にはステップＳ１２２に進み、カウンタ２４の現在の加工数Ｃに「１」を追加する。
次いで、ステップＳ１２３において、加速度を新たな加速度Ａ０、Ａ０’に変更したか否かを判定する。新たな加速度Ａ０、Ａ０’に変更された場合にはステップＳ１２４に進み、新たな加速度Ａ０、Ａ０’に変更されていない場合にはステップＳ１２８に進む。
ステップＳ１２４においては、新たな加速度Ａ０、Ａ０’に変更される前のワークの一回の加工時間と新たな加速度Ａ０、Ａ０’に変更された後のワークの一回の加工時間とを加工時間記憶部２３から読出す。次いで、算出部１６がこれら加工時間の偏差Δｔを算出する。
さらに、ステップＳ１２５において、算出部１６は、現在の加工数Ｃをカウンタ２４から取得し、この加工数を所定の総加工予定数Ｃ０から減算する。これにより、残加工数Ｃｒが得られる。
次いで、ステップＳ１２６においては算出部１６が偏差Δｔに残加工数Ｃｒを乗算して、総加工時間増減量を算出する。さらに、算出部１６は、新たな加速度Ａ０、Ａ０’に変更された後の加工時間に残加工数Ｃｒを乗算して、終了予定時間を算出する。
ステップＳ１２７においては、これら総加工時間増減量および終了予定時間を出力部１７、例えば液晶ディスプレイまたはプリンタに出力する。なお、工作機械１８について所定の休止時間が設定されている場合には、算出部１６はそのような休止時間が加算された終了予定時間を算出するものとする。最終的に、今回の加工処理に要した時間を加工時間記憶部２３に記憶し、処理を終了する（ステップＳ１２８）。
図７を参照して説明した実施形態においては、出力部１７を通じて操作者に総加工時間増減量および終了予定時間を通知できる。このため、操作者は加速度が変更されたことにより時間に対する影響を的確に把握できる。その結果、全ての加工が終了した後に行われる作業、例えばワークの検査作業および次ロットのワークを加工するための段取り作業に対するスケジュールを容易に調整することが可能となる。
１０ 制御装置
１１ 加工プログラム
１２ プログラム読取解釈部（識別部）
１３ 補間・加減速制御部
１４ モータ制御部
１５ モータ駆動アンプ
１６ 算出部（加速度算出部、終了予定時間算出部）
１７ 出力部
１８ 工作機械
１９ａ 主軸モータ
１９ｂ 温度検出部
２０ データ記憶部
２１ 加速度記憶部
２２ 割合記憶部
２３ 加工時間記憶部
２４ カウンタ

Claims (4)

  1. タップが取付けられていて回転する主軸と、該主軸を送り出す送り軸とによってタップ加工を行う工作機械を制御する制御装置において、
    前記タップの寸法の指標を識別する識別部と、
    前記主軸を駆動するモータの温度を検出する温度検出部と、
    前記タップの寸法の指標に対応した前記主軸の加速度を記憶する加速度記憶部と、
    前記モータの温度に応じて前記主軸の加速度を変更する割合を記憶する割合記憶部と、
    前記識別部により識別された前記タップの寸法の指標と前記加速度記憶部とから定まる加速度に、前記温度検出部により検出された前記温度と前記割合記憶部とから定まる割合を乗算して、前記主軸の新たな加速度を算出する加速度算出部とを具備する、工作機械の制御装置。
  2. 前記タップの寸法の指標は前記タップのピッチであり、
    前記識別部は、前記工作機械の加工プログラムにおける主軸回転指令および送り軸送り速度指令からピッチを算出して、タップの寸法の指標を識別する、請求項１に記載の工作機械の制御装置。
  3. 前記タップの寸法の指標はタップの工具番号であり、
    前記識別部は、前記工作機械の加工プログラムにおける工具番号指令を読込んで、タップの寸法の指標を識別する、請求項１に記載の工作機械の制御装置。
  4. さらに、加工処理を一回行うのに要する加工時間を記憶する加工時間記憶部と、
    現在の加工数をカウントするカウンタと、
    前記加工時間記憶部に記憶された前記加速度が変更される前の加工時間および前記加速度が変更された後の加工時間と、前記カウンタにカウントされた現在の加工数を所定の総加工数から減算した残加工数とに基づいて、残加工数の加工処理が終了するのに要する時間を算出する終了予定時間算出部と、を具備する、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の工作機械の制御装置。
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