JP2013171398A

JP2013171398A - 工作機械、及び工作機械起動制御方法

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Publication number: JP2013171398A
Application number: JP2012034256A
Authority: JP
Inventors: Yukio Tamura; 幸夫田村
Original assignee: Niigata Machine Techno Co Ltd
Current assignee: Niigata Machine Techno Co Ltd
Priority date: 2012-02-20
Filing date: 2012-02-20
Publication date: 2013-09-02
Anticipated expiration: 2032-02-20
Also published as: JP6074891B2

Abstract

【課題】起動時における消費電力を低減する。
【解決手段】主軸回転到達時間＆軸移動完了時間算出部１０２は、主軸回転到達時間と軸移動完了時間とを算出する。軸速度制御部１０５は、主軸回転到達時間の方が大である場合、あるいは、軸移動完了時間が同じである場合に、主軸モータ３０の主軸回転起動に先だって、送りモータ３１〜３３の全てを駆動開始して主軸とワークテーブルをｘｙｚ方向に移動させる。また、軸速度制御部１０５は、軸移動完了時間の方が大であり、かつ、軸移動完了時間に差がある場合に、最長時間となる送りモータを駆動開始した後、その他の送りモータを駆動開始して主軸とワークテーブルをｘｙｚ方向に移動させる。主軸回転制御部１０６は、上記送りモータ３１〜３３の駆動開始後、主軸モータ３０の主軸回転を起動する。
【選択図】図３

Description

本発明は、工作機械、及び工作機械起動制御方法に関する。

汎用の工作機械では、起動時に、工具（刃具）を取り付けた主軸を回転させつつ、その主軸とワークテーブルをｘｙｚ方向に移動させる送りモータを駆動することで、工具をワークの指令位置に移動させた後、所定のプログラムに従ってワークを切削加工する。起動時の所要電力は、主軸モータや、各軸の送りモータ、油圧ポンプモータなど、同時起動する可能性のあるモータ出力を加算することで決まる。また、他より性能を上げるため、出力の高いモータを搭載した場合には、機械本体の電源容量も、その分増加することになる。そこで、工作機械加工の起動時における所要電力を低減することが望まれる。

例えば、特許文献１には、工作機械加工システムにおいて、主軸が目標回転速度に達するまでの時間が、主軸が目標位置に達するまでの時間よりも長い場合に、主軸が目標位置に達するまでの時間が、算出された目標位置に達する時間より長く、かつ算出された目標回転速度に達するまでの時間以下の時間となるように、主軸の駆動を制御する技術が提案されている。すなわち、主軸の移動速度を低下することで消費電力の低減を図っている。

特開２０１１−１４５８２５号公報

上述したように、工作機械では、工具を交換した後、主軸回転と軸移動とが同時に起動し、他にも工具返却動作を行う油圧ポンプの負荷増大、クーラントポンプの起動等が行われるため、それぞれの駆動電流のピークが重なり、瞬間的であっても、それらの負荷電力は積算されてしまう。特に、上述したように、他より性能を上げるため、出力の高いモータを搭載した場合には、機械本体の電源容量も、その分増加することになる。

このため、従来技術であっても、主軸回転と軸移動とを同時に起動した場合には、駆動直後に駆動電流のピークが重なって最も高くなるので（消費電力が大となるので）、起動時における消費電力を十分に低減することができず、ランニングコストの増加を招くという問題がある。

本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、起動時における消費電力を低減することができる工作機械、及び工作機械起動制御方法を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明は、ワークテーブル上の加工すべきワークを加工する工具が主軸に取り付けられた工作機械あって、前記主軸と前記ワークテーブルの各駆動部における指令速度、指令位置に達するまでに要する到達時間を算出する到達時間算出部と、前記到達時間算出部により算出された、前記主軸と前記ワークテーブルとの各駆動部の到達時間のうち、最も長い到達時間内に起動時の全ての動作が完了し、かつ前記主軸と前記ワークテーブルとの各駆動部への駆動電流のピークが重ならないように、前記主軸と前記ワークテーブルとの各駆動部の駆動開始タイミングを制御する制御部とを備えることを特徴とする工作機械である。

本発明は、上記の発明において、前記工作機械は、前記各駆動部として、前記工具が取り付けられる主軸を回転駆動する主軸モータと、当該主軸と前記ワークテーブルとをワーク加工のための所定の位置まで移動させる複数の送りモータとを備え、前記到達時間算出部は、前記主軸モータの主軸回転到達時間と前記複数の送りモータの各々による軸移動完了時間とを算出する主軸回転到達時間＆軸移動完了時間算出部を備え、前記制御部は、前記複数の送りモータによる軸移動完了時間よりも前記主軸モータの主軸回転到達時間の方が大である場合、あるいは、前記複数の送りモータによる軸移動完了時間が同じである場合に、前記主軸モータの主軸回転起動に先だって、前記複数の送りモータの全てを駆動開始する一方、前記主軸モータの主軸回転到達時間よりも前記複数の送りモータによる軸移動完了時間の方が大であり、かつ、前記複数の送りモータによる軸移動完了時間に差がある場合に、前記複数の送りモータのうち、前記軸移動完了時間が最長時間となる送りモータを駆動開始した後、その他の送りモータを駆動開始する軸速度制御部と、前記軸速度制御部による前記複数の送りモータの駆動開始後、前記主軸モータの主軸回転を起動する主軸回転制御部とを備えることが好ましい。

本発明は、上記の発明において、前記軸速度制御部は、先に駆動開始した送りモータへの駆動電流がピークを超えた後、前記その他の送りモータを駆動開始することが好ましい。

本発明は、上記の発明において、前記主軸回転制御部は、先に駆動開始した前記複数の送りモータへの駆動電流がピークを超えた後、前記主軸モータの主軸回転を起動することが好ましい。

また、上述した課題を解決するために、本発明は、ワークテーブル上のワークを加工する工具が主軸に取り付けられた工作機械起動制御方法であって、各駆動部における指令値に達するまでに要する到達時間を算出するステップと、前記主軸と前記ワークテーブルとの各駆動部の到達時間のうち、最も長い到達時間内に全ての動作が完了し、かつ前記主軸と前記ワークテーブルとの各駆動部への駆動電流のピークが重ならないように、前記主軸と前記ワークテーブルとの各駆動部の駆動開始タイミングを制御するステップとを含むことを特徴とする工作機械起動制御方法である。

この発明によれば、起動時における消費電力を低減することができる。

本発明の実施形態による工作機械の概略構成を示すブロック図である。本実施形態による、主軸２０とワークテーブル４の移動距離の一例を説明するための概念図である。本実施形態による管理制御部１０の機能構成を示すブロック図である。本実施形態において、送りモータ３１〜３３の送り軸移動完了時間の算出方法の一例を説明するための概念図である。本実施形態において、主軸モータ３０の主軸回転到達時間の算出方法の一例を説明するための概念図である。本実施形態による、工作機械起動制御方法を説明するためのフローチャートである。本実施形態による、工作機械起動制御動作を説明するための概念図である。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施形態による工作機械の概略構成を示すブロック図である。図１において、工作機械７は、ワークテーブル４、主軸２０、管理制御部１０、及びＮＣプログラム格納部１１を備えている。

工作機械７には、工具を取り付ける主軸２０が設けられている。その主軸２０に対向する位置には、ワークテーブル４が配置されている。また、工作機械７には、主軸２０を回転させる主軸モータ３０、主軸２０、ワークテーブル４をｘｙｚ方向に移動させる送りモータ３１、３２、３３が設けられている。主軸２０に装着される工具は、図示しない工具保持ポット、または、工具棚に収納されたいずれかの工具がＡＴＣ装置によって、着脱交換可能に装着されるようになっている。

工作機械７には、ＮＣプログラム格納部１１と、格納されているＮＣプログラムを読み込み、該ＮＣプログラムに従って、工作機械７における主軸モータ３０の回転制御、主軸２０、ワークテーブル４をｘｙｚ方向へ移動させるための送りモータ３１、３２、３３の駆動制御などを行う管理制御部１０があり、ワークテーブル４上のワークＷを切削加工する。

特に、本実施形態では、管理制御部１０は、切削加工の前の起動時に、ＮＣプログラム格納部１１に格納されているＮＣプログラムを先読みし、主軸２０、ワークテーブル４のｘｙｚ方向への移動や、主軸モータ３０の主軸回転駆動等の個々の動作の開始タイミングを、全体としての動作時間が長引かない範囲で分散させるように制御する。これにより、各部の駆動電流のピークが重ならなくなり、より効果的に消費電力を低減することができる。その結果、電源容量を低く抑えることができる。

図２は、本実施形態による、主軸２０、ワークテーブル４の移動距離の一例を説明するための概念図である。図２において、主軸２０、ワークテーブル４は、ＡＴＣ位置からＸ軸（水平）方向へ７６５ｍｍ（Ｘ軸移動量）、Ｙ軸（垂直）方向へ５８７．５ｍｍ、Ｚ軸（前後）方向へ７６４ｍｍ移動して、切削加工開始位置に達する。主軸２０には、重量１０ｋｇ、工具長２６０ｍｍの工具が装着される。また、主軸モータ３０の主軸の到達回転速度は、１０００回転／ｍｉｎである。

図３は、本実施形態による管理制御部１０の機能構成を示すブロック図である。管理制御部１０は、主軸回転＆送り軸移動指令抽出部１０１、主軸回転到達時間＆軸移動完了時間算出部１０２（指令値到達時間算出部）、主軸回転到達時間＆軸移動完了時間比較部１０３、軸移動完了時間比較部１０４、軸速度制御部１０５（制御部）、及び主軸回転制御部１０６（制御部）からなる。

主軸回転＆送り軸移動指令抽出部１０１は、起動時に、ＮＣプログラム格納部１１に格納されているＮＣプログラムを先読みし、主軸モータ３０の主軸回転、送りモータ３１〜３３の送り軸移動指令を抽出する。主軸回転到達時間＆軸移動完了時間算出部１０２は、各駆動部における指令値に達するまでに要する到達時間を算出する。例えば、主軸回転到達時間＆軸移動完了時間算出部１０２は、主軸回転到達時間と軸移動完了時間とを算出する。各駆動部とは、例えば、主軸モータ３０、送りモータ３１、３２、３３等である。

主軸回転到達時間＆軸移動完了時間比較部１０３は、主軸回転到達時間と軸移動完了時間とを比較し、比較結果を軸移動完了時間比較部１０４、及び軸速度制御部１０５に供給する。軸移動完了時間比較部１０４は、上記主軸回転到達時間＆軸移動完了時間比較部１０３の比較結果が、軸移動完了時間の方が大であると判定された場合、各軸の移動完了時間を比較し、比較結果を軸速度制御部１０５に供給する。

軸速度制御部１０５は、上記主軸回転到達時間＆軸移動完了時間比較部１０３の比較結果が、主軸回転到達時間の方が大であると判定された場合、あるいは、上記軸移動完了時間比較部１０４の比較結果が、軸移動完了時間が同じであると判定された場合に、主軸モータ３０の主軸回転起動に先だって、送りモータ３１〜３３の全てを駆動開始して主軸２０、ワークテーブル４をｘｙｚ方向に移動させる。

また、軸速度制御部１０５は、上記主軸回転到達時間＆軸移動完了時間比較部１０３の比較結果が、軸移動完了時間の方が大であると判定され、かつ、上記軸移動完了時間比較部１０４の比較結果が、軸移動完了時間に差があると判定された場合に、最長時間となる送りモータを駆動開始した後、その他の送りモータを駆動開始して主軸２０、ワークテーブル４をｘｙｚ方向に移動させる。
主軸回転制御部１０６は、上記軸速度制御部１０５による送りモータ３１〜３３の駆動開始後、主軸モータ３０の主軸回転を起動する。

図４は、本実施形態において、送りモータ３１〜３３の送り軸移動完了時間の算出方法の一例を説明するための概念図である。図４には、横軸に時間、縦軸に送り軸の速度を示している。各送り軸は、駆動開始から徐々に速度を上げ（加速期間ｔ_１＋ｔ_２）、速度Ｖ＝３０ｍ／ｍｉｎ（５００ｍｍ／ｓ）で一定（駆動目標値）となり、その後、徐々に減速する（原則期間ｔ１+ｔ２）。図示の例では、Ｖ＝３０ｍ／ｍｉｎ、ｔ_１＝０２ｓ、ｔ_２＝０．０４４ｓ、ｔ_１+ｔ_２＝０．２４４ｓである。
各軸の移動時間Ｔは、移動量Ｌに応じて、次式（１）、（２）で求められる。

一例として、各軸の移動量Ｌは、各々、Ｘ軸で７６５ｍｍ、Ｙ軸で５８７．５ｍｍ、Ｚ軸で７８４ｍｍとなる。ゆえに、各軸の移動時間Ｔは、各々、Ｘ軸で１．７７４ｓ、Ｙ軸で１．４１９ｓ、Ｚ軸で１．７７２ｓとなる。該各軸の移動時間Ｔが送りモータ３１〜３３の送り軸移動完了時間に相当する。

図５は、本実施形態において、主軸モータ３０の主軸回転到達時間の算出方法の一例を説明するための概念図である。図５には、横軸にモータ速度、縦軸に出力を示している。モータ軸換算負荷イナーシャ（工具：１０ｋｇ、Ｌ＝２６０付）をＪＬ、モータイナーシャをＪｍ、Ｓ２またはＳ３定格出力の１２０％（定出力領域）をＰｆ、Ｓ２またはＳ３定格出力の１２０％（出力低減領域）をＰｍ、モータ速度（定トルク領域）をＮｂ、モータ速度（定出力領域）をＮｆ、モータ速度（出力低減領域）をＮｍとする。なお、Ｓ２、Ｓ３は、連続定格値に対し、時間制限内での最大出力値である。例えば、３０分定格であるとか、５０％ＥＤ（サイクル時間１０分の内、ＯＮ時間５分、ＯＦＦ時間５分）などがある。

定トルク領域（０〜Ｎｂ）までの加速時間ｔ_０１は、次式（３）から求められる。

定出力領域（Ｎｂ〜Ｎｆ）までの加速時間ｔ_０２は、次式（４）から求められる。

そして、出力低減領域（Ｎｆ〜Ｎｍ）までの加速時間ｔ_０３は、次式（５）から求められる。

図６は、本実施形態による、工作機械起動制御方法を説明するためのフローチャートである。また、図７は、本実施形態による、工作機械起動制御動作を説明するための概念図である。主軸回転＆送り軸移動指令抽出部１０１は、起動時に、ＮＣプログラム格納部１１に格納されているＮＣプログラムを先読みし（ステップＳＴ１）、主軸モータ３０の主軸回転、送りモータ３１〜３３の送り軸移動指令を抽出する（ステップＳＴ２）。

次に、主軸回転到達時間＆軸移動完了時間算出部１０２は、抽出された上記主軸モータ３０の主軸回転、送りモータ３１〜３３の送り軸移動指令に基づいて、主軸モータ３０の主軸回転到達時間と送りモータ３１〜３３の軸移動完了時間とを算出する（ステップＳＴ３）。上述した図４、図５に示す例では、主軸モータ３０の主軸回転到達時間は、０．９７７ｓとなり、送りモータ３１〜３３の軸移動完了時間は、各々、Ｘ軸で１．７７４ｓ、Ｙ軸で１．４１９ｓ、Ｚ軸で１．７７２ｓとなる。

次に、主軸回転到達時間＆軸移動完了時間比較部１０３は、主軸回転到達時間と軸移動完了時間とを比較する（ステップＳＴ４）。本実施形態では、主軸回転到達時間が０．９７７ｓであり、軸移動完了時間がＸ軸で１．７７４ｓ、Ｙ軸で１．４１９ｓ、Ｚ軸で１．７７２ｓであるので、軸移動完了時間の方が大となる。このように、軸移動完了時間の方が大となる場合には（ステップＳＴ４の「軸移動完了時間大」）、軸移動完了時間比較部１０４は、各軸の移動完了時間を比較する（ステップＳＴ５）。

本実施形態では、軸移動完了時間がＸ軸で１．７７４ｓ、Ｙ軸で１．４１９ｓ、Ｚ軸で１．７７２ｓであるので、軸移動完了時間に差がある。このように、軸移動完了時間に差がある場合には（ステップＳＴ５の「軸移動完了時間に差あり」）、まず、軸速度制御部１０５が、最長時間となる送りモータを駆動開始した後、その他の送りモータを駆動開始する（ステップＳＴ６）。

本実施形態では、上述したように、軸移動完了時間がＸ軸で１．７７４ｓ、Ｙ軸で１．４１９ｓ、Ｚ軸で１．７７２ｓであるので、最長時間となるＸ軸の送りモータ３１、Ｚ軸の送りモータ３３を駆動開始し、時間ｔ１＝０．２４４ｓ経過後、Ｙ軸の送りモータ３２を駆動開始する。

次に、主軸回転制御部１０６は、主軸モータ３０の主軸回転を起動する（ステップＳＴ８）。具体的には、Ｙ軸の送りモータ３２を駆動開始してから、時間ｔ１＝０．２４４ｓ経過後、主軸モータ３０の主軸回転を起動する。

一方、主軸回転到達時間が大である場合（ステップＳＴ４の「主軸回転到達時間大」）、または、軸移動完了時間が同じであると判定された場合には(ステップＳＴ５の「軸移動完了時間同じ」）、軸速度制御部１０５は、送りモータ３１〜３３の全てを駆動開始する（ステップＳＴ７）。次に、主軸回転制御部１０６は、主軸モータ３０の主軸回転を起動する（ステップＳＴ８）。

図７には、ステップＳＴ４で、軸移動完了時間が大で、かつ、ステップＳＴ５で、軸移動完了時間に差がある場合における、主軸モータ３０、及び送りモータ３１〜３３の動作を示している。図７において、線分Ｌ２は、Ｘ軸の送りモータ３１の電流変化で、線分Ｌ１は、同時に起動させるＺ軸の送りモータ３３の電流変化をそれに加算した電流変化を示し、線分Ｌ３は、Ｘ軸、Ｚ軸の送りモータ３１、３３の速度変化を示している。また、線分Ｌ４は、Ｙ軸の送りモータ３２の電流変化、線分Ｌ５は、Ｙ軸の送りモータ３２の速度変化を示している。また、線分Ｌ６は、主軸モータ３０における電流変化、線分Ｌ７は、主軸モータ３０の回転速度変化を示している。

モータの負荷は、加速時に最大となり、その間（時定数の間）に電流がピークになる。本実施形態では、図２に示すように、Ｘ軸とＺ軸の移動距離がほぼ同じであるので、同時起動することになる。これに対して、Ｙ軸の移動距離は、Ｘ軸、Ｚ軸に比べると短く、他の軸が加速し終わってから起動させても、時間のロスは発生しない。

そこで、本実施形態では、Ｘ軸、Ｚ軸の送りモータ３１、３３を同時起動し（線分Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３参照）、電流のピークがなくなるタイミング（０．２４４ｓ後）で、Ｙ軸の送りモータ３２を起動する（線分Ｌ４、Ｌ５参照）。そして、Ｙ軸の送りモータ３２の起動後、電流のピークがなくなるタイミング（０．２４４ｓ後）で、主軸モータ３０の主軸回転を起動する（線分Ｌ６、Ｌ７参照）。このように、送りモータ３１〜３３の起動タイミングや、主軸モータ３０の起動タイミングを、全体の動作時間が長引かない範囲で、分散するようにしたので、電流ピークを低減することができる。

上述した実施形態によれば、軸移動や主軸回転等の個々の動作が、動作時間が長引かない範囲で駆動開始タイミングを分散させるように制御したので、駆動電流ピークが重ならず、起動時における消費電力を低減することができる。その結果、電源容量を低く抑えることができる。

なお、減速時、停止時には、回生ブレーキが働き、消費電力を抑えられるので、時間差を与える必要なない。特に、１番大きい主軸モータ３０を、他の送りモータ３１〜３３と同時に起動しないように制御すれば、電源容量は半減する。これにより、ブレーカ容量を縮小することができ、電源トランスのサイズダウンなど、コストダウンのメリットを享受することができる。

４ワークテーブル
７工作機械
１０管理制御部
１１ＮＣプログラム格納部
２０主軸
３０主軸モータ
３１〜３３送りモータ
１０１主軸回転＆送り軸移動指令抽出部
１０２主軸回転到達時間＆軸移動完了時間算出部
１０３主軸回転到達時間＆軸移動完了時間比較部
１０４軸移動完了時間比較部
１０５軸速度制御部
１０６主軸回転制御部

Claims

ワークテーブル上のワークを加工する工具が主軸に取り付けられた工作機械であって、
前記主軸と前記ワークテーブルの各駆動部における指令速度、指令位置に達するまでに要する到達時間を算出する到達時間算出部と、
前記到達時間算出部により算出された、前記主軸と前記ワークテーブルとの各駆動部の到達時間のうち、最も長い到達時間内に起動時の全ての動作が完了し、かつ前記主軸と前記ワークテーブルとの各駆動部への駆動電流のピークが重ならないように、前記主軸と前記ワークテーブルとの各駆動部の駆動開始タイミングを制御する制御部と
を備えることを特徴とする工作機械。
前記工作機械は、
前記各駆動部として、前記工具が取り付けられる主軸を回転駆動する主軸モータと、当該主軸と前記ワークテーブルとをワーク加工のための所定の位置まで移動させる複数の送りモータとを備え、
前記到達時間算出部は、
前記主軸モータの主軸回転到達時間と前記複数の送りモータの各々による軸移動完了時間とを算出する主軸回転到達時間＆軸移動完了時間算出部を備え、
前記制御部は、
前記複数の送りモータによる軸移動完了時間よりも前記主軸モータの主軸回転到達時間の方が大である場合、あるいは、前記複数の送りモータによる軸移動完了時間が同じである場合に、前記主軸モータの主軸回転起動に先だって、前記複数の送りモータの全てを駆動開始する一方、前記主軸モータの主軸回転到達時間よりも前記複数の送りモータによる軸移動完了時間の方が大であり、かつ、前記複数の送りモータによる軸移動完了時間に差がある場合に、前記複数の送りモータのうち、前記軸移動完了時間が最長時間となる送りモータを駆動開始した後、その他の送りモータを駆動開始する軸速度制御部と、
前記軸速度制御部による前記複数の送りモータの駆動開始後、前記主軸モータの主軸回転を起動する主軸回転制御部と
を備える
ことを特徴とする請求項１に記載の工作機械。
前記軸速度制御部は、
先に駆動開始した送りモータへの駆動電流がピークを超えた後、前記その他の送りモータを駆動開始する
ことを特徴とする請求項２に記載の工作機械。
前記主軸回転制御部は、
先に駆動開始した前記複数の送りモータへの駆動電流がピークを超えた後、前記主軸モータの主軸回転を起動する
ことを特徴とする請求項２または３に記載の工作機械。
ワークテーブル上のワークを加工する工具が主軸に取り付けられた工作機械起動制御方法であって、
各駆動部における指令値に達するまでに要する到達時間を算出するステップと、
前記主軸と前記ワークテーブルとの各駆動部の到達時間のうち、最も長い到達時間内に全ての動作が完了し、かつ前記主軸と前記ワークテーブルとの各駆動部への駆動電流のピークが重ならないように、前記主軸と前記ワークテーブルとの各駆動部の駆動開始タイミングを制御するステップと
を含むことを特徴とする工作機械起動制御方法。