JP2014089623A - 工作機械の動作制限装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】多種多様な工作機械に対応できるように、かつ、動作制限領域の設定自由度を向上することができる工作機械の動作制限装置を提供する。
【解決手段】工作機械における複数の駆動軸の中から異なる方向の２または３の駆動軸Xa,Zaを指定する。指定された２または３の駆動軸Xa,Zaにより２次元座標系または３次元座標系を形成する。２次元座標系または３次元座標系において移動体１５の動作を制限する領域Arを設定する。移動体１５が動作している駆動軸Xa,Zaを判定し、動作している駆動軸Xaが含まれる２次元座標系または３次元座標系において、移動体１５が制限領域Arに入る場合に移動体１５の動作を制限する。
【選択図】図１

Description

本発明は、工作機械の動作制限装置に関するものである。
工作機械において、工具が他の部品と干渉することを防止するために、工具の動作を制限することがある。例えば、特開昭６０−１６０４０７号公報（特許文献１）および特開２００８−２３４２９５号公報（特許文献２）には、移動方向軸に対する限界値（最大値と最小値）を設定しておき、手動加工時に工具が限界値を超えたときに手動送りを停止させることが記載されている。
また、特公平４−７１２０２号公報（特許文献３）には、工作物の外表面の位置に応じた工作物干渉領域を設定し、工作物干渉領域に工具が侵入したか否かを検出することが記載されている。
特開昭６０−１６０４０７号公報 特開２００８−２３４２９５号公報 特公平４−７１２０２号公報
ところで、多種多様な機能を有するために、多数の駆動軸を有する工作機械がある。例えば、駆動軸には、工具を移動させる駆動軸のみではなく、例えば、工具をツルーイングするためのみに用いる駆動軸も存在する。そして、移動体の種類および移動体が駆動される駆動軸に応じて、干渉の発生状態が異なる。また、複数の駆動軸の動作によって移動体が動作する場合には、ある駆動軸の最大値、最小値の設定のみにより動作を制限する領域を設定できたとしても、適切な制限領域を設定できない。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、多種多様な工作機械に対応できるように、かつ、動作制限領域の設定自由度を向上することができる工作機械の動作制限装置を提供することを目的とする。
（請求項１）本手段に係る工作機械の動作制限装置は、工作機械における複数の駆動軸の中から異なる方向の２または３の駆動軸を指定する駆動軸指定手段と、指定された２または３の駆動軸により２次元座標系または３次元座標系を形成する座標系形成手段と、２次元座標系または３次元座標系において移動体の動作を制限する領域を設定する制限領域設定手段と、移動体が動作している駆動軸を判定する判定手段と、動作している駆動軸が含まれる２次元座標系または３次元座標系において、移動体が制限領域に入る場合に移動体の動作を制限する制限手段とを備える。
（請求項２）好ましくは、判定手段は、手動モード時または自動モード時において、移動体が動作している駆動軸を判定し、制限手段は、手動モード時または自動モード時において、移動体の動作を制限する。
（請求項３）また、好ましくは、制限手段は、移動体が制限領域に入る場合に、移動体を停止させることなく、移動体の速度を低減する。
（請求項１）本手段によれば、複数の駆動軸の中から異なる方向の２または３の駆動軸を指定し、当該駆動軸を含む２次元座標系または３次元座標系において移動体の動作を制限する領域を設定する。これにより、動作制限領域の設定自由度は非常に高くなる。さらに、多種の駆動軸を有する工作機械においても、駆動軸に応じた動作制限領域を設定できるため、動作制限領域を確実にかつ適切に設定できる。
（請求項２）適用モードを、手動モード時または自動モード時とする。手動モード時には、作業者によって操作されるため、当然に作業者が工作機械の近傍にいる。また、自動モード時には、作業者が工作機械の近傍にて確認しながら行う。従って、上記モード時には、作業者が工作機械の動作を確認しながら行うことができる。このようなモードに適用することで、作業者による不注意（データ設定ミス、ハンドル倍率選択ミス、オーバーライド設定ミスなど）による干渉を防止できる。
（請求項３）動作の制限の方法として、移動体を停止させるのではなく、移動体の速度を低減することで、動作制限領域を比較的距離的な余裕を有して設定できる。つまり、動作制限領域の設定に際して、干渉するかしないかのぎりぎりの位置に設定する必要がないため、設定が容易となる。また、設定ミスなどにより動作制限領域に移動体が侵入した場合には、移動体の速度が低減するため、作業者が移動体の速度変動を確認することで、設定ミスなどがある可能性を作業者に対して気づかせることができる。
特に手動モード時においては、対象物の間近まで移動体を動作させたい場合や、対象物に接触させたい場合もある。このような場合には、移動体を動作できることが望ましい。しかし、移動体と対象物との激しい衝突は避けるべきである。このような要望に対しても、本手段を適用することで対応できる。
また、自動モード時において、動作制限領域内に移動体が侵入すると、移動体の速度が制限される。このとき、作業者は、プログラムデータが誤っているか否かを判断することができる。プログラムデータが誤っていたと判断すれば、機械の動作を停止することができる。一方、プログラムデータに誤りはなく、動作制限領域内で正しい動作をしているとすれば、作業者は制限された移動体の動作を確実に確認することができる。
本発明の実施形態における研削盤の平面図である。 図１における第一の動作制限領域の詳細図である。 図１における第二の動作制限領域の詳細図である。 図１の制御装置のブロック図である。 図４の制限領域設定処理部による処理を示すフローチャートである。 図４の判定制限部による処理を示すフローチャートである。 図６の速度制限処理を示すフローチャートである。 図５のS7〜S9における３次元座標系の動作制限領域を示す図である。
（研削盤の構成）
本実施形態の研削盤の一例として、砥石台トラバース型研削盤を例に挙げて説明する。なお、砥石台トラバース型研削盤に限られるものではなく、他の研削盤にも適用でき、研削盤以外の工作機械にも適用できる。
当該研削盤について、図１を参照して説明する。図１に示すように、研削盤１は、床上に固定されたベッド１１と、ベッド１１に固定された工作物Ｗを回転可能に両端支持する主軸１２および心押装置１３を備える。さらに、研削盤１は、ベッド１１上をＺ軸（Za）方向およびＸ軸（Xa）方向に移動可能な砥石台１４と、砥石台１４に回転可能に支持される砥石車１５と、工作物Ｗの径を計測する定寸装置１６を備える。
さらに、研削盤１は、砥石台１４の上にＺ軸（Zb）方向およびＸ軸（Xb）方向に移動可能なツルーイング装置１７を備える。ツルーイング装置１７は、砥石車１５を成形するための装置である。そして、研削盤１は、主軸１２および砥石車１５を回転し、かつ、工作物Ｗに対する砥石車１５の位置を制御すると共に、ツルーイング装置１７を制御する制御装置１８を備える。なお、本発明における工作機械の動作制限装置は、制御装置１８に相当する。
（動作制限領域の説明）
ここで、研削盤１においては、図１の破線にて示す動作制限領域Ar（Xa-Za），Ar（Xb-Zb）が設定されている。動作制限領域Ar（Xa-Za），Ar（Xb-Zb）の詳細について、図２および図３を参照して説明する。
第一の動作制限領域Ar（Xa-Za）は、砥石車１５と工作物Ｗとの干渉を定義する領域である。つまり、第一の動作制限領域Ar（Xa-Za）は、図１に示すように、工作物Ｗに対する砥石車１５の研削点P（Xa-Za）の制限領域である。
ここで、砥石車１５は、Xa方向の駆動軸およびZa方向の駆動軸により動作する。従って、図１に示すように、第一の動作制限領域Ar（Xa-Za）は、Xa方向およびZa方向により形成される２次元座標系において、長方形状に形成される。つまり、第一の動作制限領域Ar（Xa-Za）の座標系は、工作物Ｗを基準とした場合において、砥石車１５が移動する駆動軸の方向により形成される２次元座標系である。
第一の動作制限領域Ar（Xa-Za）は、図２に示すように、基準点（Xa0,Za0）、当該基準点（Xa0,Za0）からXa方向にΔXa離れた第一頂点（Xa1,Za1）、当該基準点（Xa0,Za0）からZa方向にΔZa離れた第二頂点（Xa2,Za2）、当該第二頂点（Xa2,Za2）からXa方向にΔXa離れた第三頂点（Xa3,Za3）を頂点とする長方形となる。
第二の動作制限領域Ar（Xb-Zb）は、ツルーイング装置１７と砥石車１５との干渉を定義する領域である。つまり、第二の動作制限領域Ar（Xb-Zb）は、図１に示すように、砥石車１５に対するツルーイング装置１７の端点Ｐ（Xb-Zb）の制限領域である。
ここで、ツルーイング装置１７は、Xb方向の駆動軸およびZb方向の駆動軸により動作する。従って、図１に示すように、第二の動作制限領域Ar（Xb-Zb）は、Xb方向およびZb方向により形成される２次元座標系において、長方形状に形成される。つまり、第二の動作制限領域Ar（Xb-Zb）の座標系は、砥石車１５を基準とした場合において、ツルーイング装置１７が移動する駆動軸の方向により形成される２次元座標系である。
第二の動作制限領域Ar（Xb-Zb）は、図３に示すように、基準点（Xb0,Zb0）、当該基準点（Xb0,Zb0）からXb方向にΔXb離れた第一頂点（Xb1,Zb1）、当該基準点（Xb0,Zb0）からZb方向にΔZb離れた第二頂点（Xb2,Zb2）、当該第二頂点（Xb2,Zb2）からXb方向にΔXb離れた第三頂点（Xb3,Zb3）を頂点とする長方形となる。
（制御装置のブロック図）
次に、制御装置１８の機能ブロック図について図４を参照して説明する。図４に示すように、入力制御部１０１、アクチュエータ制御部１０２、制限領域設定部１０３、制限領域記憶部１０４、判定制御部１０５を備える。
入力制御部１０１は、作業者の操作によりＮＣプログラムを入力したり、外部メディアに記憶されている情報を取得したり、作業者が操作パネルに操作した動作を取得したりする。
アクチュエータ制御部１０２は、入力制御部１０１にて入力されたＮＣプログラムに基づいて、モータなどのアクチュエータ２００を制御する。例えば、砥石車１５により工作物Ｗを加工する場合には、ＮＣプログラムの指令に従って砥石台１４をXa方向およびZa方向に移動させる。この場合、アクチュエータ制御部１０２は、砥石台１４を動作させるモータを制御する。
また、ツルーイング装置１７を動作して砥石車１５を成形する場合には、ＮＣプログラムの指令に従って、ツルーイング装置１７をXb方向およびZa方向に移動させる。この場合、アクチュエータ制御部１０２は、ツルーイング装置１７を動作させるモータを制御する。さらに、アクチュエータ制御部１０２は、判定制御部１０５によって動作の制限がされる場合には、指令された移動体の速度を低減するように制御する。
制限領域設定部１０３は、図１〜図３に示した第一，第二の動作制限領域Ar（Xa-Za），Ar（Xb-Zb）を設定する。制限領域設定部１０３は、入力制御部１０１にて入力された制限領域に関する情報に基づいて、第一，第二の動作制限領域Ar（Xa-Za），Ar（Xb-Zb）を設定する。なお、制限領域設定部１０３の詳細は後述する。
制限領域記憶部１０４は、制限領域設定部１０３にて設定された第一，第二の動作制限領域Ar（Xa-Za），Ar（Xb-Zb）を記憶する。ただし、制限領域記憶部１０４に記憶される第一，第二の動作制限領域Ar（Xa-Za），Ar（Xb-Zb）とは、図２および図３に示すような設定された座標系、および、当該座標系における各頂点の座標である。
判定制御部１０５は、手動モードまたは自動モードの時であって、さらに動作制限無効信号がＯＦＦの場合に、動作を制限させるか否かの判定を行う。そして、判定制御部１０５は、動作制限をさせると判定した場合に、アクチュエータ制御部１０２に対して移動体の動作速度を低減するように制御する。なお、動作制限無効信号は、入力制御部１０１にて取得する。この判定制御部１０５の詳細も後述する。
（動作制限領域の設定処理）
次に、制限領域設定部１０３による動作制限領域の設定処理について、図５を参照して説明する。図５に示すように、動作制限領域の座標系の軸を指定する（S1）（本発明における「駆動軸指定手段」に相当）。例えば、図１および図２に示す第一の動作制限領域Ar（Xa-Za）を設定する場合には、Xa軸とZa軸の２つを指定する。指令する駆動軸は、予め操作パネル３００にて作業者が入力することもできるし、外部メディアに記憶されたものを入力することもできる。また、当該指定軸は、ＮＣプログラム中に記載可能である。
続いて、指定された軸の数が２つであるかを判定し（S2）、そうでなければ軸数が３つであるかを判定し（S6）、そうでなければ（S6:N）、設定処理は無効となり終了する（S10）。なお、ステップＳ６において指定軸数３つでない場合には、ステップＳ１に戻って、改めて軸数を指定するようにしてもよい。
ステップS2にて、指定軸数が２つの場合には（S2:Y）は、２次元座標系（A-B）を形成し、２次元座標系（A-B）における基準座標（A0,B0）を指定する（S3）（本発明における「座標系形成手段」に相当）。図２においては、２次元座標系が（Xa-Za）座標系であり、基準座標が（Xa0,Za0）である。この基準座標（A0,B0）の入力は、ＮＣプログラム、外部メディアおよび操作パネル３００の何れの方法でも可能である。
続いて、座標軸における基準座標（A0,B0）からの差分ΔA,ΔBを指定する（S4）。図２においては、Xa軸方向の差分がΔXaであり、Za軸方向の差分がΔZaである。差分ΔA,ΔBの入力も、上記同様である。また、工作物を変更した場合に、作業者の入力の煩わしさを省くために、基準座標（A0,B0）、ΔA、ΔBの指定は、ＮＣプログラムを起動させることで取得することもできる。
続いて、座標軸における基準座標（A0,B0）、および、差分ΔA,ΔBより、長方形の動作制限領域Arの頂点座標４点を算出し、制限領域記憶部１０４に記憶する（S5）（本発明における「制限領域設定手段」に相当）。図２において、動作制限領域Ar（Xa-Za）の頂点座標４点は、（Xa0,Za0）、（Xa1,Za1）、（Xa2,Za2）、（Xa3,Za3）である。
一方、ステップS6にて、指定軸数が３つの場合には（S6:Y）は、３次元座標系（D-E-F）を形成し、３次元座標系（D-E-F）における基準座標（D0,E0,F0）を指定する（S7）（本発明における「座標系形成手段」に相当）。例えば、図８を参照しながら以下に説明する。続いて、座標軸における基準座標（D0,E0,F0）からの差分ΔD,ΔE,ΔFを指定する（S8）。図８においては、D軸方向の差分がΔDであり、E軸方向の差分がΔEであり、F軸方向の差分がΔFである。
続いて、座標軸における基準座標（D0,E0,F0） 、および、差分ΔD,ΔE,ΔFより、直方体の動作制限領域Arの頂点座標８点を算出し、制限領域記憶部１０４に記憶する（S9）（本発明における「制限領域設定手段」に相当）。図８において、動作制限領域Ar（D-E-F）の頂点座標８点は、（D0,E0,F0）、（D1,E1,F1）、（D2,E2,F2）、（D3,E3,F3）、（D4,E4,F4）、（D5,E5,F5）、（D6,E6,F6）、（D7,E7,F7）である。
以上より、複数の駆動軸の中から異なる方向の２または３の駆動軸を指定し、当該駆動軸を含む２次元座標系または３次元座標系において移動体の動作を制限する領域を設定する。これにより、動作制限領域の設定自由度は非常に高くなる。さらに、上述したように、例えば、砥石台１４を移動させるXa軸およびZa軸以外に、ツルーイング装置１７を移動させるXb軸およびZb軸を有するような多種の駆動軸を有する工作機械においても、駆動軸に応じた動作制限領域を設定できるため、動作制限領域を確実にかつ適切に設定できる。
（動作制限判定および動作制限制御処理）
次に、図４の判定制御部１０５による動作制限判定および動作制限制御処理について、図６および図７を参照して説明する。判定制御部１０５は、図６に示すように、手動モードまたは自動モードであるかを判定する（S11）（本発明における「判定手段」に相当）。
手動モードには、ハンドル操作モードと、寸行モードとが含まれる。ハンドル操作モードとは、操作パネル３００に設置されているハンドルを例えば回転動作させることにより、指令された移動体を指令された軸方向に移動させるモードである。ハンドル操作モードにおいては、ハンドル倍率の設定が可能であり、ハンドル倍率の設定値に応じた速度で移動体を移動させることができる。
寸行モードとは、操作パネル３００に設置されている寸行ボタンを押すことで、指令された移動体を指令された軸方向に移動させるモードである。作業者は、操作パネル３００にて、寸行速度のオーバーライドを設定できる。
続いて、ステップS11において、手動モードまたは自動モードの場合には（S11:Y）、動作制限無効信号がＯＦＦであるかを判定する（S12）。初期設定として、動作制限無効信号はＯＦＦになっており、動作制限がされる状態となっている。動作制限無効信号のＯＮ／ＯＦＦの切り替えは、操作パネル３００（図４に示す）により、作業者が自由にできる。
続いて、ステップS12において、動作制限無効信号がＯＦＦの場合には（S12:Y）、制限領域記憶部１０４に記憶された座標系の中に、目標位置に向かって移動しようとする駆動軸または現在動作している駆動軸（これらを「動作軸」と称する）によって形成された座標系が存在するか否かを判定する（S13）（本発明における「判定手段」に相当）。例えば、動作軸がXa軸の場合には、２次元座標系（Xa-Za）が存在することになる。
続いて、ステップS13の判定にて該当する座標系が存在する場合には（S13:Y）、移動体の対象位置Pの目標位置または現在位置が、動作制限領域の中に存在するか否かを判定する（S14）。例えば、図１に示すように、対象位置Pである砥石車１５の研削点P（Xa-Za）が、第一の動作制限領域Ar（Xa-Za）の中であるかを判定する。
続いて、ステップS14を満たす場合には、速度制限制御を行う（S15）（本発明における「制限手段」に相当）。一方、ステップS11〜S14を満たさない場合には、通常制御を行う（S16）。通常制御とは、ステップS15による速度制限制御を行わない制御を意味する。
ここで、ステップS12において、作業者の操作によって、動作制限無効信号がＯＮに変更された場合には、上記のとおり通常制御が行われる。このとき、通常制御において正常動作が確認された場合には、動作制限無効信号をＯＮ状態に保つようにもできる。動作制限無効信号がＯＮ状態である間は、速度制限制御は行われず、通常制御が行われることになる。
速度制限制御については、図７を参照して説明する。図６のステップS11より、速度制限制御を行うモードは、ハンドル操作モード、寸行モードおよび自動モードの場合となる。
図７に示すように、ハンドル操作モードの場合には（S21:Y）、現在のハンドル倍率が、予め設定された制限倍率より大きいか否かを判定する（S22）。それを満たす場合には、ハンドル倍率を制限倍率に変更する。つまり、変更された後には、ハンドル倍率が低く設定された制限倍率とされた状態にて、移動体が動作する。ここで、制限倍率は、ゼロではない値で、通常設定される値よりも小さな値とされる。
寸行モードの場合には（S21:N,S24:Y）、現在設定されている寸行速度が、予め設定された制限速度より大きいか否かを判定する（S25）。それを満たす場合には、寸行速度を制限速度に変更する。つまり、変更された後には、寸行速度が低く設定された制限速度とされた状態にて、移動体が動作する。ここで、制限速度は、ゼロではない値で、通常設定される値よりも小さな値とされる。
自動モードの場合には（S24:N,S27:Y）、目標または現在の指令速度が、予め設定された制限速度より大きいか否かを判定する（S28）。それを満たす場合には、指令速度を低く設定された制限速度に変更する。つまり、変更された後には、移動体の移動速度は、制限速度以下となる。ここで、制限速度は、ゼロではない値で、通常設定される値よりも小さな値とされる。
上述したように、動作制限を適用するモードを、手動モード時または自動モード時としている。手動モード時には、作業者によって操作されるため、当然に作業者が工作機械の近傍にいる。また、自動モード時には、作業者が工作機械の近傍にて確認しながら行う。従って、上記モード時には、作業者が工作機械の動作を確認しながら行うことができる。このようなモードに適用することで、作業者による不注意（データ設定ミス、ハンドル倍率選択ミス、オーバーライド設定ミスなど）による干渉を防止できる。
さらに、動作の制限の方法として、移動体を停止させるのではなく、移動体の速度を低減している。これにより、動作制限領域Arを比較的距離的な余裕を有して設定できる。つまり、動作制限領域Arの設定に際して、移動体と対象物とが干渉するかしないかのぎりぎりの位置に設定する必要がないため、設定が容易となる。また、設定ミスなどにより動作制限領域に移動体が侵入した場合には、移動体の速度が低減するため、作業者が移動体の速度変動を確認することで、設定ミスなどがある可能性を作業者に対して気づかせることができる。
また、特に手動モード時においては、対象物の間近まで移動体を動作させたい場合や、対象物に接触させたい場合もある。このような場合には、移動体を動作できることが望ましい。しかし、移動体と対象物との激しい衝突は避けるべきである。このような要望に対しても、本実施形態によれば対応できる。
また、自動モード時において、動作制限領域内に移動体が侵入すると、移動体の速度が制限される。このとき、作業者は、プログラムデータが誤っているか否かを判断することができる。プログラムデータが誤っていたと判断すれば、移動体の速度が低減している間に、例えば作業者が非常停止ボタンを押すことによって、機械の動作を停止することができる。一方、プログラムデータに誤りはなく、動作制限領域内で正しい動作をしているとすれば、作業者は制限された移動体の動作を確実に確認することができる。ここで、機械の非常停止動作については、上述した動作制限判定および動作制限制御処理とは別処理によって行われる。
なお、上記実施形態においては、動作制限の方法として、移動体を停止するのではなく、移動体の速度を低減することとした。これに限られることなく、移動体を停止することは可能である。ただし、この場合、移動体を停止させないことによる効果を奏しない。
１：研削盤（工作機械）、 １４：砥石台、 １５：砥石車（移動体）、 １７：ツルーイング装置（移動体）、 １８：制御装置、 １０３：制限領域設定部（駆動軸指定手段、座標系形成手段、制限領域設定手段）、 １０５：判定制御部（判定手段、制限手段）、 Ar（Xa-Za），Ar（Xb-Zb），Ar（D-E-F）：動作制限領域、 Ｗ：工作物、 Xa,Za,Xb,Zb：駆動軸、 （Xa-Zb），（Xb-Zb）：２次元座標系、 （D-E-F）：３次元座標系

Claims (3)

  1. 工作機械の動作制限装置であって、
    前記工作機械における複数の駆動軸の中から異なる方向の２または３の駆動軸を指定する駆動軸指定手段と、
    指定された前記２または３の駆動軸により２次元座標系または３次元座標系を形成する座標系形成手段と、
    前記２次元座標系または３次元座標系において移動体の動作を制限する領域を設定する制限領域設定手段と、
    前記移動体が動作している駆動軸を判定する判定手段と、
    動作している前記駆動軸が含まれる前記２次元座標系または３次元座標系において、前記移動体が前記制限領域に入る場合に前記移動体の動作を制限する制限手段と、
    を備える工作機械の動作制限装置。
  2. 前記判定手段は、手動モード時または自動モード時において、前記移動体が動作している駆動軸を判定し、
    前記制限手段は、手動モード時または自動モード時において、前記移動体の動作を制限する、請求項１の工作機械の動作制限装置。
  3. 前記制限手段は、前記移動体が前記制限領域に入る場合に、前記移動体を停止させることなく、前記移動体の速度を低減する、請求項２の工作機械の動作制限装置。
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