JP2013233610A - 工作機械の暖機運転制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】暖機運転により工作機械の主軸の切削能力を向上させることが可能な工作機械の暖機運転制御装置を提供すること。
【解決手段】暖機運転モードがＯＮにより、暖機運転を開始し、暖機運転の動作内容を動作条件の設定から読み込み（ＳＡ０１〜ＳＡ０３）、現在の主軸モータ負荷値（Ｄ）が動作条件の設定で定められた使用基準負荷値（ＰｍＡ）と略等しいか否か判断し（ＳＡ０４）、略等しくない場合（ＮＯの場合）には所定時間（Ｔ）が経過するのを待って、ＳＡ０４へ戻り、処理を継続し、略等しい場合（ＹＥＳの場合）には暖機運転を終了し、暖機運転終了後の処理に移行することによって、主軸モータの負荷値に基づいて暖機運転制御を行う。
【選択図】図３

Description

本発明は、工作機械の暖機運転制御装置に関する。

従来、工作機械においては機械が冷えた状態から加工を始めると、主軸モータの温度が上昇するにつれてシャフトに熱変位が生じ、加工精度が悪くなる。そのため、実際の加工作業に取り掛かる前に、機械の温度が飽和するまで予め通常の運転を繰り返して暖機運転を行い、温度を一定にする必要があった。

特許文献１には、暖機運転時間を短縮するため、熱変位が加工精度および位置決め精度などに影響を及ぼす機械のモータ制御装置において、暖機運転を行なう暖機運転モードと通常の加工を行なう通常モードで制御を切り替える切替制御回路を備え、暖機運転モードにおいては駆動周波数に比べて高い周波数の高調波電圧をモータに重畳して与えることを特徴とする工作機械用主軸モータ制御装置が開示されている。

特開２００３−１９９３７８号公報

切削加工に用いる工作機械は、その切削性能を最大限に引き出すために様々な工夫がなされてきた。機械設計、主軸設計などの要素により機械剛性を高め、切削性能を向上させる手法が一般的に用いられている。

背景技術で説明した工作機械の暖機運転制御装置は、工作機械に取り付けられた主軸を空運転することで、モータ等の回転駆動手段による発熱や主軸軸受部の発熱等に起因する工作機械の熱変位量を安定させる手法である。一般的には、特許文献１のように熱変位対策として用いられており、主軸の切削能力向上に用いられることはなかった。

そこで、本発明は、暖機運転により、工作機械の主軸の切削能力を向上させることが可能な工作機械の暖機運転制御装置を提供することを課題とする。

本願の請求項１に係る発明は、加工を開始する前に工作機械の主軸を回転させる主軸モータを駆動して暖機運転を行う工作機械の暖機運転制御装置において、前記暖機運転を行う暖機運転実行部と、前記暖機運転に伴う発熱により変化する主軸モータ負荷値を取得する主軸モータ負荷値取得部と、前記主軸モータ負荷値取得部を用いて取得した前記主軸モータ負荷値と予め設定された使用基準負荷を比較する比較部と、前記比較部による比較の結果、前記主軸モータ負荷値が予め設定された使用基準負荷値と略同一と判定した時、暖機運転を終了する暖機運転終了部を有することを特徴とする工作機械の暖機運転制御装置である。
請求項２に係る発明は、前記暖機運転は、前記主軸モータを駆動して行う主軸の加減速動作と主軸の定常回転動作からなることを特徴とする請求項１に記載の工作機械の暖機運転制御装置である。
請求項３に係る発明は、前記主軸モータ負荷値は、前記主軸モータから得られる電流値あるいはロードメータ値であることを特徴とする請求項１または２のいずれか一つに記載の工作機械の暖機運転制御装置である。
請求項４に係る発明は、前記比較部で用いられる前記使用基準負荷値は、前記予め設定された値を複数設定できる複数値設定部において、前記複数値設定部により設定された複数の値から、前記比較に使用する値を選択できる使用値選択部によって選択された値であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の工作機械の暖機運転制御装置である。

請求項５に係る発明は、前記暖機運転終了部により暖機運転を終了した時に、前記暖機運転の終了を報知する暖機運転終了報知部を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の工作機械の暖機運転制御装置である。
請求項６に係る発明は、前記暖機運転終了部により暖機運転を終了した時に、自動的に加工を開始する加工開始部を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の工作機械の暖機運転制御装置である。

本発明により、主軸モータ負荷値に基づいて暖機運転終了の判定を行うことで、主軸の出力が向上した状態で加工を行うことが出来る。

工作機械を制御する数値制御装置の要部を説明するブロック図である。 暖機運転による主軸モータ負荷値の推移の例を説明するグラフである。 暖機運転開始から終了までの処理を説明するフローチャートである。 暖機運転終了後の処理を説明するフローチャートである。 動作条件の設定項目を説明する図である。

以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
図１は工作機械を制御する数値制御装置の要部を示すブロック図である。数値制御装置１０のプロセッサ（ＣＰＵ）１１は、数値制御装置１０を全体的に制御するプロセッサである。プロセッサ１１は、ＲＯＭ１２に格納されたシステムプログラムをバス２１を介して読み出し、このシステムプログラムに従って数値制御装置１０を全体的に制御する。ＲＡＭ１３には一時的な計算データや表示データ及びＬＣＤ／ＭＤＩユニット７０を介してオペレータが入力した各種データ等が格納される。

ＳＲＡＭ１４は図示しないバッテリでバックアップされ、数値制御装置１０の電源がオフされても記憶状態が保持される不揮発性メモリとして構成され、初期位置を測定するプログラムや工作機械の熱変位補正を行うプログラム、インタフェース１５を介して読み込まれた後述する加工プログラム、ＬＣＤ／ＭＤＩユニット７０を介して入力された加工プログラム等が記憶されるようになっている。また、ＲＯＭ１２には、加工プログラムの作成及び編集のために必要とされる編集モードの処理や自動運転のための処理を実施するための各種のシステムプログラムがあらかじめ書き込まれている。

インタフェース１５は数値制御装置１０に接続可能な外部機器のためのインタフェースであり、外部記憶装置などの外部機器７２が接続される。外部記憶装置からは加工プログラム、熱変位測定プログラムなどが読み込まれる。ＰＭＣ（プログラマブル・マシン・コントローラ）１６は、数値制御装置１０に内蔵されたシーケンスプログラムで工作機械側の補助装置等を制御する。すなわち、加工プログラムで指令されたＭ機能、Ｓ機能及びＴ機能に従って、これらシーケンスプログラムで補助装置側で必要な信号を変換し、Ｉ／Ｏユニット１７から補助装置側に出力する。この出力信号により各種アクチュエータ等の補助装置が作動する。また、工作機械の本体に配備された操作盤の各種スイッチ等の信号を受け、必要な処理をしてプロセッサ１１に渡す。

工作機械の各軸の現在位置、アラーム、パラメータ、画像データ等の画像信号はＬＣＤ／ＭＤＩユニット７０に送られ、そのディスプレイに表示される。ＬＣＤ／ＭＤＩユニット７０はディスプレイやキーボード等を備えた手動データ入力装置であり、インタフェース１８はＬＣＤ／ＭＤＩユニット７０のキーボードからデータを受けてプロセッサ１１に渡す。インタフェース１９は手動パルス発生器７１に接続され、手動パルス発生器７１は工作機械の操作盤に実装され、手動操作に基づく分配パルスによる各軸制御で工作機械の可動部を精密に位置決めするために使用される。

工作機械のテーブルＴを移動させるＸ，Ｙ軸の軸制御回路及びＺ軸の制御回路３０〜３２はプロセッサ１１からの各軸の移動指令を受けて、各軸の指令をサーボアンプ４０〜４２に出力する。サーボアンプ４０〜４２はこの指令を受けて工作機械の各軸のサーボモータ５０〜５２を駆動する。各軸のサーボモータ５０〜５２には位置検出用のパルスコーダが内蔵されており、このパルスコーダからの位置信号がパルス列としてフィードバックされる。

スピンドル制御回路６０は、工作機械への主軸回転指令を受け、スピンドルアンプ６１にスピンドル速度信号を出力する。スピンドルアンプ６１はこのスピンドル速度信号を受けて、工作機械のスピンドルモータ６２を指令された回転速度で回転させ、工具を駆動する。スピンドルモータ６２には歯車あるいはベルト等でポジションコーダ６３が結合され、ポジションコーダ６３が主軸の回転に同期して帰還パルスを出力し、その帰還パルスはインタフェース２０を経由してプロセッサ１１によって読み取られる。なお、スピンドルモータ６２は特許請求の範囲に記載される主軸モータに対応する。時計回路６５は現在時刻に同期するように調整された時計装置である。

ところで、主軸モータの主軸モータ負荷値は、数値制御装置１０の暖機運転制御によって変化することが実験により判明している。工作機械を駆動制御する数値制御装置１０によって暖機運転制御を行う場合、暖機運転により主軸モータの温度も上昇するため、背景技術で説明した特許文献１に開示されるように主軸モータの温度に基づいて暖機運転を制御することも考えられる。しかし、主軸モータ温度は巻線の温度やロータの温度など主軸モータの出力に影響する温度要因が複数存在するため、主軸モータ出力が向上したかを温度に基づいて判定することはできない。これに対して、主軸モータ負荷値は主軸モータ出力の影響を直接受けた値であるため、正確に主軸モータ出力を判定できる。主軸モータ負荷値として、数値制御装置１０が取得する主軸モータに流れる電流値、あるいは、ロードメータ値を用いることができる。

図２は暖機運転による主軸モータ負荷値の推移の例を説明するグラフである。図２のグラフによれば、主軸モータの定常回転（１）のときの主軸モータ負荷値に比べて主軸モータの定常回転（２）のときの主軸モータ負荷値が低下している。このように、暖機運転前に定常回転で主軸モータ負荷値を計測した値より暖機運転終了後に定常回転で主軸モータ負荷値を計測した値の方が主軸モータ負荷値は低下しており、暖機運転を行うことで主軸モータ出力が向上していることが判る。これは、主軸内部の摩擦箇所を潤滑する油分の温度が上昇したことに伴い、抵抗が軽減されることや、使用するモータの特性などにより出力が向上していると考えられる。ただし、図２に示すものはあくまでも一例であり、主軸モータの特性などの要因により異なる線図を示すこともある。なお、主軸モータ負荷値としては、工作機械を制御する数値制御装置１０によって取得される主軸モータを流れる電流値、あるいは、ロードメータ値に基づく。

以下、本発明に係る暖機運転制御を説明する。
まず、図５に示されるように、暖機運転を開始する前に、数値制御装置１０で工作機械の暖機運転制御を行うために必要な動作条件の情報について数値制御装置１０において手動で設定する。動作条件の設定１００として、暖機運転中に使用する設定１１０と暖機運転終了後の動作選択１２０がある。動作運転中に使用する設定として、符号１１２に示されるように「暖機運転を終了するか否かの判定に使用する基準負荷値設定（複数設定可）」と、符号１１４に示されるように「使用基準負荷値（ＰｍＡ）の設定」がある。また、暖機運転終了後の動作選択１２０として、符号１２２の「自動的に加工を行う設定」において符号１２４の「加工を行うための加工プログラムの設定」と、符号１２６の「単に暖機運転を終了する設定」において符号１２８の「ランプ，ブザー等の視聴覚手段で作業者に報知する設定」がある。基準負荷値は、実験や経験、計算などから求めた主軸モータ負荷値を設定するものとする。基準負荷値は、符号１１２に示されるように複数の値を設定できるものとし、どの値を使用するかについては使用基準負荷値（ＰｍＡ）の設定（符号１１４）に依存する。なお、符号１１２の構成は特許請求の範囲の請求項４の複数値設定部に対応し、符号１１４の構成は使用値選択部に対応する。

以下、図３，図４を用いて本発明に係る暖機運転制御のフローを説明する。
●［ステップＳＡ０１］暖機運転モードがＯＮか否か判定を行い、ＯＮであれば（ＹＥＳの場合）ステップＳＡ０２へ移行し、ＯＮでなければ（ＮＯの場合）暖機運転モードがＯＮになるのを待つ。
●［ステップＳＡ０２］暖機運転を開始する。つまり、暖機運転を実行するプログラムを読み込む。
●［ステップＳＡ０３］暖機運転の動作内容を動作条件の設定から読み込む。
●［ステップＳＡ０４］主軸モータ負荷値を取得する。
●［ステップＳＡ０５］現在の主軸モータ負荷値（Ｄ）は動作条件の設定で定められた使用基準負荷値（ＰｍＡ）と略等しいか否か判断し、略等しい場合（ＹＥＳの場合）にはステップＳＡ０６へ移行し、略等しくない場合（ＮＯの場合）にはステップＳＡ０７へ移行する。なお、両者の差が予め設定された範囲に収まる場合に略等しいとする。
●［ステップＳＡ０６］暖機運転を終了する。
●［ステップＳＡ０７］所用時間（Ｔ）が経過したか否か判断し、経過していればステップＳＡ０４へ移行し、経過していなければ所用時間（Ｔ）が経過するのを待つ。
●［ステップＳＡ０８］暖機運転終了後の動作を選択する。動作の設定が設定１２２の場合にはステップＳＡ１２へ移行し、設定１２６の場合にはステップＳＡ０９へ移行する。
●［ステップＳＡ０９］設定１２８が選択されているか否か判断し、設定１２８が選択されている場合（ＹＥＳの場合）にはステップＳＡ１０に移行し、設定１２８が選択されていない場合（ＮＯの場合）にはステップＳＡ１１へ移行する。
●［ステップＳＡ１０］ランプ，ブザーなどの視聴覚的手段で作業者に報知する。
●［ステップＳＡ１１］暖機運転モードをＯＦＦする。
●［ステップＳＡ１２］暖機運転モードをＯＦＦする。
●［ステップＳＡ１３］自動的に加工を開始する。

１０ 数値制御装置
１１ プロセッサ
１２ ＲＯＭ
１３ ＲＡＭ
１４ ＳＲＡＭ
１５ インタフェース
１６ ＰＭＣ
１７ Ｉ／Ｏユニット
１８ インタフェース
１９ インタフェース
２０ インタフェース
２１ バス
３０，３１，３２ 軸制御回路
４０，４１，４２ サーボアンプ
５０，５１，５２ サーボモータ
６０ スピンドル制御回路
６１ スピンドルアンプ
６２ スピンドルモータ
６３ ポジションコーダ
７０ ＬＣＤ／ＭＤＩユニット
７１ 手動パルス発生器
７２ 外部機器

Claims (6)

1. 加工を開始する前に工作機械の主軸を回転させる主軸モータを駆動して暖機運転を行う工作機械の暖機運転制御装置において、
   前記暖機運転を行う暖機運転実行部と、
   前記暖機運転に伴う発熱により変化する主軸モータ負荷値を取得する主軸モータ負荷値取得部と、
   前記主軸モータ負荷値取得部を用いて取得した前記主軸モータ負荷値と予め設定された使用基準負荷を比較する比較部と、
   前記比較部による比較の結果、前記主軸モータ負荷値が予め設定された使用基準負荷値と略同一と判定した時、暖機運転を終了する暖機運転終了部を有することを特徴とする工作機械の暖機運転制御装置。
2. 前記暖機運転は、前記主軸モータを駆動して行う主軸の加減速動作と主軸の定常回転動作からなることを特徴とする請求項１に記載の工作機械の暖機運転制御装置。
3. 前記主軸モータ負荷値は、前記主軸モータから得られる電流値あるいはロードメータ値であることを特徴とする請求項１または２のいずれか一つに記載の工作機械の暖機運転制御装置。
4. 前記比較部で用いられる前記使用基準負荷値は、前記予め設定された値を複数設定できる複数値設定部において、前記複数値設定部により設定された複数の値から、前記比較に使用する値を選択できる使用値選択部によって選択された値であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の工作機械の暖機運転制御装置。
5. 前記暖機運転終了部により暖機運転を終了した時に、前記暖機運転の終了を報知する暖機運転終了報知部を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の工作機械の暖機運転制御装置。
6. 前記暖機運転終了部により暖機運転を終了した時に、自動的に加工を開始する加工開始部を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の工作機械の暖機運転制御装置。

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