JP2015047016A

JP2015047016A - モータ負荷を表示する機能を備えた制御装置

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Publication number: JP2015047016A
Application number: JP2013177047A
Authority: JP
Inventors: 有紀森田; Yuki Morita
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2013-08-28
Filing date: 2013-08-28
Publication date: 2015-03-12
Anticipated expiration: 2033-08-28
Also published as: JP5698809B2; DE102014012406B4; CN104416405A; DE102014012406A1; CN104416405B; US9486888B2; US20150066213A1

Abstract

【課題】最大出力及び連続定格出力に関連する現在のモータ出力の情報を効果的に表示する機能を備えた、低コストの制御装置の提供。
【解決手段】制御装置１８は、モータ１２の回転速度と最大出力との関係を表す第１データを記憶する第１記憶部２４と、モータ１２の回転速度と連続定格出力との関係を表す第２データを記憶する第２記憶部２６と、モータ１２の現在の回転速度における、最大出力及び連続定格出力のうちの一方に対する他方の比である第１比を演算する第１比演算部２８と、モータ１２の現在の回転速度における、最大出力及び連続定格出力のうちの前記一方に対するモータ１２の現在の実出力の比である第２比を演算する第２比演算部３０と、第１比及び第２比を同じ画面上に表示する表示部３２とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、工作機械の主軸を駆動するモータを制御するとともに、該モータの負荷を表示する機能を備えた制御装置に関する。

モータにより駆動される主軸を有する工作機械において、切削条件等のある加工条件下での加工が可能かの判断・評価を行うために、該モータの負荷を表示する装置（ロードメータ）が一般に利用される。例えば特許文献１には、定格負荷に対する主軸負荷の割合を、１００％までは緑色で表示し、１００％を超えると赤色で表示する装置が記載されている。

また特許文献２には、モータの回転数及び出力をそれぞれ横軸及び縦軸とする座標系上に、モータの現在の回転数及び出力を表すマーカを、該モータの運転出力特性を示すカーブとともに表示する方法が記載されている。

特開昭５８−１２０４５５号公報特開平１０−０９００１１号公報

上述のロードメータには、以下の２種類のものがある。１つ目は、最大出力を基準とするロードメータ（以降、「最大出力基準ロードメータ」と称する）であり、最大出力を基準値とした場合の、該基準値に対する現在の（加工時の）モータ出力の比を計算、表示等するものである。最大出力基準ロードメータでは、「１００％」は、それを超える負荷がかかるとトルク不足によってモータが停止する負荷のレベルを意味し、現在の出力がそのレベルまであとどの程度の余裕があるのかを知ることが容易である。

２つ目は、連続定格出力を基準とするロードメータ（以降、「連続定格出力基準ロードメータ」と称する）であり、連続定格出力を基準値とした場合の、該基準値に対する現在の（加工時の）モータ出力の比を計算、表示等するものである。連続定格出力基準ロードメータでは、「１００％」は、それを超える負荷で連続的な運転（加工）を行うとモータ又はアンプがオーバヒートを起こすレベルを意味し、現在の出力がそのレベルまであとどの程度の余裕があるのかを知ることが容易である。

ここで、例えば図８に示すように、あるモータにおいて、最大出力特性及び連続定格出力特性のそれぞれのベース速度（定トルク領域から定出力領域に遷移する速度）が一致している（いずれもＶｂ）場合には、上記２つのロードメータが示す値の比率は、いずれの速度（回転数）においても一定値となる。従って一方のロードメータ値がわかれば、他方のロードメータ値は容易な換算で求めることができる。

一方、例えば図９に示すように、あるモータにおいて、最大出力特性及び連続定格出力特性のそれぞれのベース速度が異なる（Ｖｂ₁とＶｂ₂）場合には、上記２つのロードメータが示す値の比率はモータの速度（回転数）によって変化する。従って一方のロードメータ値から、他方のロードメータ値への換算は容易ではない。つまり図９のようなモータにおいては、一方のロードメータ値から他方のロードメータ値を換算する際は運転時の（現在の）モータ速度も加味する必要があり、双方のロードメータ値を一度に知ることが困難である。

つまり図８に示すような特性のモータでは、最大出力値に一定の比率を乗算すれば連続定格出力値がわかるので、現在のモータ出力が最大出力及び連続定格出力のそれぞれに対してどの程度の余裕があるのかを容易に知ることができる。しかし、図９に示すような特性のモータでは、最大出力基準のロードメータ値がわかっても、そのときの負荷においてモータが連続運転に耐え得るか（すなわちモータ出力が連続定格出力に対してどの程度の余裕があるか）は容易に知ることができないという課題がある。

特許文献１に記載の装置では、モータの負荷状態を、負荷値に応じて色分けして表示することができるが、上述の課題に対する解決策を提供するものではない。また特許文献２に記載の表示方法をモータ制御装置において実現するためには、グラフ表示のためのグラフィック画面が必要となる。従って制御装置のグラフィックリソース、メモリリソース、及びコストの観点からはやや不利である。

そこで本発明は、最大出力特性及び連続定格出力特性のそれぞれのベース速度が異なるモータであっても、最大出力及び連続定格出力に関連する現在のモータ出力の情報を効率的に表示する機能を備えた、低コストの制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本願第１の発明は、工作機械の主軸を駆動するモータを制御する制御装置において、前記モータの回転速度と最大出力との関係を表す第１データを記憶する第１記憶部と、前記モータの回転速度と連続定格出力との関係を表す第２データを記憶する第２記憶部と、前記モータの現在の回転速度における、最大出力及び連続定格出力のうちの一方に対する他方の比である第１比を演算する第１比演算部と、前記モータの現在の回転速度における、最大出力及び連続定格出力のうちの前記一方に対する前記モータの現在の実出力の比である第２比を演算する第２比演算部と、前記第１比及び前記第２比を同じ画面上に表示する表示部と、を具備する制御装置を提供する。

第２の発明は、第１の発明において、前記表示部は、前記第１比及び前記第２比を同じ画面上にそれぞれ数値として表示する、制御装置を提供する。

第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記表示部は、前記第１比及び前記第２比を同じ画面上に棒グラフとしてそれぞれ表示する、制御装置を提供する。

本発明によれば、第１比及び第２比を同じ画面上に表示することにより、工作機械の主軸にかかる負荷状況をオペレータが容易に確認することができる。より具体的には、オペレータは、現在の出力の連続定格出力に対する余裕と、最大出力に対する余裕との双方を知ることができる。またこれらの情報は、数値や棒グラフにより簡易に表示することができる。

本発明の好適な実施形態に係る制御装置の機能ブロック図である。図１の制御装置における処理の一例を示すフローチャートである。図２の処理により得られた第１比及び第２比を同じ画面上に数値として表示した例を示す図である。図２の処理により得られた第１比及び第２比を同じ画面上に棒グラフとして表示した例を示す図である。図１の制御装置における処理の他の例を示すフローチャートである。図５の処理により得られた第１比及び第２比を同じ画面上に数値として表示した例を示す図である。図５の処理により得られた第１比及び第２比を同じ画面上に棒グラフとして表示した例を示す図である。モータの最大出力特性及び連続定格出力特性のそれぞれのベース速度が一致している例を示すグラフである。モータの最大出力特性及び連続定格出力特性のそれぞれのベース速度が異なる例を示すグラフである。

図１は、本発明の好適な実施形態に係る制御装置の機能ブロック図を、該制御装置が制御するモータを備えた工作機械の概略構成とともに示す図である。工作機械１０は、概略図示したモータ１２により駆動される主軸１４を有し、例えばワーク１６に対して切削等の加工を行うことができるように構成されている。モータ１２は制御装置１８により制御される。制御装置１８は、モータ１２の回転速度（回転数）を検出する速度検出部２０と、モータ１２の出力を演算する出力演算部２２とを有し、モータ１２の現在（例えば運転時）の回転速度及び現在の実出力等に基づいてモータ１２を制御する。なお速度検出部２０としては、モータ１２の回転速度（回転数）を測定するエンコーダ等が挙げられるが、後述する処理において使用されるモータ回転速度としては、速度検出部２０が検出した検出値を使用してもよいし、モータ１２を制御するために制御装置１８が出力する速度指令値を使用してもよい。

また制御装置１８は、モータ１２の回転速度と最大出力との関係を表す第１データを記憶する第１記憶部２４と、モータ１２の回転速度と連続定格出力との関係を表す第２データを記憶する第２記憶部２６と、モータ１２の現在の回転速度における、最大出力及び連続定格出力のうちの一方に対する他方の比である第１比を演算する第１比演算部２８と、モータ１２の現在の回転速度における、最大出力及び連続定格出力のうちの前記一方に対するモータ１２の現在の実出力の比である第２比を演算する第２比演算部３０と、第１比及び第２比を同じ画面上に表示する表示部３２とを有する。以下、制御装置１８での処理の流れ及び各部の作用について説明する。

予め、モータ速度に対する最大出力値及び連続定格出力値を知る手段をそれぞれ用意しておく。具体的には、図８及び図９を用いて説明したような、モータ１２の最大出力特性を表す第１データを第１記憶部２４に記憶しておく。ここで最大出力値は、予め用意されたモータ１２の速度と最大出力値との関係を示すテーブルから読み出すことで求めることができる。或いは、モータ１２が同期モータである場合は、あるモータ速度における許容最大電流値にトルク定数及びモータ速度値を乗ずることで求めることができる。一方、モータ１２が誘導モータである場合は、ある速度における許容最大励磁電流値に許容最大トルク電流値及びモータ速度値を乗ずることで求めることができる。このようにして得られたモータ速度と最大出力との関係を、第１データとして第１記憶部２４に記憶しておく。

同様に、図８及び図９を用いて説明したような、モータ１２の連続定格出力特性を表す第２データを第２記憶部２６に記憶しておく。ここで連続定格出力値は、予め用意されたモータ１２の速度と連続定格出力値との関係を示すテーブルから読み出すことで求めることができる。このようにして得られたモータ速度と連続定格出力との関係を、第２データとして第２記憶部２６に記憶しておく。

図２は、制御装置１８における処理の一例を示すフローチャートである。先ず、工作機械の運転時（例えばワーク１６の切削加工時）において、モータ１２の回転速度を検出する（ステップＳ１１）。

次にステップＳ１２において、モータ１２の現在の出力（Ｐａ）を計算する。現在の出力値（実出力）は、モータ１２の実電流値に電圧指令値を乗ずることで求めることができる。或いは、モータ１２が同期モータである場合は、モータ１２の速度に、トルク指令値及びトルク定数を乗ずることで求めることができる。一方、モータ１２が誘導モータである場合は、励磁電流指令値に、トルク電流指令値及びモータ速度値を乗ずることで求めることができる。

次に、ステップＳ１１で得られた現在の回転速度におけるモータ１２の最大出力（Ｐｍ）を第１記憶部２４から読み出し（ステップＳ１３）、同様に、ステップＳ１１で得られた現在の回転速度におけるモータ１２の連続定格出力（Ｐｃ）を第２記憶部２６から読み出す（ステップＳ１４）。

次にステップＳ１５において、現在のモータ回転速度における、最大出力値に対する連続定格出力値の比すなわち第１比（Ａ）を計算する。具体的には第１比（％）は、以下の式（１）から計算できる。
Ａ＝Ｐｃ／Ｐｍ×１００（１）

次にステップＳ１６において、現在のモータ回転速度における、最大出力値に対する、現在の実出力の比すなわち第２比（Ｂ）を計算する。具体的には第２比（％）は、以下の式（２）から計算できる。
Ｂ＝Ｐａ／Ｐｍ×１００（２）

次にステップＳ１７において、ステップＳ１５及びＳ１６で得られた第１比及び第２比（Ａ，Ｂ）を、表示部３２に（好ましくは同じ画面に並べて）表示する。以下、この表示の態様について説明する。

図３は、第１比Ａ及び第２比Ｂを同じ画面上に数値として表示した例を示す図である。図３の例は、主軸の回転数を３０００ｒｐｍ（ｍｉｎ^-1）としてワーク１６を加工している際に、第１比Ａ及び第２比Ｂがそれぞれ３０％及び６０％であることを示している。ここで第２比Ｂが１００％であることは、モータの実出力が最大出力に等しいことを意味するので、第２比Ｂの値は、最大出力に対して現在の出力にどの程度の余裕があるかを示す。一方、第１比Ａは、最大出力に対する連続定格出力の比を表しているので、ＡとＢの差は、連続定格出力に対して現在の出力にどの程度の余裕があるかを意味する。図３の例では、第２比Ｂが第１比Ａより大きいので、現在の出力は連続定格出力を超えていることになり、故に現在の状態は、短時間の加工ならば問題はないが、長時間の継続加工はできないことを意味する。このように、第１比及び第２比を同一画面に同時に表示することで、オペレータは、現在の出力の最大出力に対する余裕と、連続定格出力に対する余裕との両方を知ることができる。

図４は、図３と同じ第１比Ａ及び第２比Ｂを、同じ画面上に棒グラフとして表示した例を示す図である。第１比Ａの値を示した棒グラフ３４と、第２比Ｂの値を示した棒グラフ３６を、いずれも最大値を１００％として（同スケールで）並べて表示すると、最大出力に対する現在の出力の余裕（つまり第２比Ｂと１００％の差）、及び連続定格出力に対する現在の出力の余裕（つまり第２比Ｂと第１比Ａの差）を視覚的に容易に把握することができる。なお図４に示すように、第１比Ａ及び第２比Ｂの値を数値で併記してもよい。

さらに、図４に示すように、２つの棒グラフを並べて表示することに加え、各棒グラフを第１比又は第２比の値等に応じて色分けすることもできる。例えば、第１比に関する棒グラフ３４において、０〜３０％（すなわち第１比Ａ）を青色、３０％〜９０％を黄色、９０％〜１００％までを赤色に色分けし、視認性をさらに高めることもできる。なお９０％は、最大出力（１００％）までの余裕が少ないことをオペレータに周知させるための閾値として設定した値であり、他の値（例えば８０％又は８５％）でもよい。或いは、図示していないが、第２比に関する棒グラフ３６のみを表示し、グラフ３４の第１比（ここでは３０％）に相当する箇所に矢印等のマーカ表示をしてもよい。

図５は、制御装置１８における処理の他の例を示すフローチャートである。先ず、工作機械の運転時（例えばワーク１６の切削加工時）において、モータ１２の回転速度を検出する（ステップＳ２１）。

次にステップＳ２２において、モータ１２の現在の出力（Ｐａ）を計算する。現在の出力値（実出力）は、モータ１２の実電流値に電圧指令値を乗ずることで求めることができる。或いは、モータ１２が同期モータである場合は、モータ１２の速度に、トルク指令値及びトルク定数を乗ずることで求めることができる。一方、モータ１２が誘導モータである場合は、励磁電流指令値に、トルク電流指令値及びモータ速度値を乗ずることで求めることができる。

次に、ステップＳ２１で得られた現在の回転速度におけるモータ１２の最大出力（Ｐｍ）を第１記憶部２４から読み出し（ステップＳ２３）、同様に、ステップＳ１１で得られた現在の回転速度におけるモータ１２の連続定格出力（Ｐｃ）を第２記憶部２６から読み出す（ステップＳ２４）。

次にステップＳ２５において、現在のモータ回転速度における、連続定格出力値に対する最大出力値の比すなわち第１比（Ｃ）を計算する。具体的には第１比（％）は、以下の式（３）から計算できる。
Ｃ＝Ｐｍ／Ｐｃ×１００（３）

次にステップＳ２６において、現在のモータ回転速度における、連続定格出力値に対する、現在の実出力の比すなわち第２比（Ｄ）を計算する。具体的には第２比（％）は、以下の式（４）から計算できる。
Ｄ＝Ｐａ／Ｐｃ×１００（４）

次にステップＳ２７において、ステップＳ２５及びＳ２６で得られた第１比及び第２比（Ｃ，Ｄ）を、表示部３２に（好ましくは同じ画面に並べて）表示する。つまり図５のフローチャートは、ステップＳ２５で求める第１比Ｃが、図２のフローチャートのステップＳ１５で求めた第１比Ａの逆数であり、ステップＳ２６で求める第２比Ｄが、図２のフローチャートのステップＳ１６で求めたような最大出力に対する現在の出力の比（第２比Ｂ）ではなく、連続定格出力に対する現在の出力の比（＝Ｂ／Ａ）である点で図２のフローチャートと相違し、他のステップは同等である。以下、この表示の態様について説明する。

図６は、第１比Ｃ及び第２比Ｄを同じ画面上に数値として表示した例を示す図である。図６の例は、主軸の回転数を３０００ｒｐｍ（ｍｉｎ^-1）としてワーク１６を加工している際に、第１比Ｃ及び第２比Ｄがそれぞれ２４０％及び１５０％であることを示している。ここで第２比Ｄが１００％であることは、モータの実出力が連続定格出力に等しいことを意味するので、第２比Ｄが１００％以下であれば、現在の出力は連続定格出力以下（すなわち連続加工が可能）であることを意味する。一方、第１比Ｃは連続定格出力に対する最大出力の比を表しているので、ＣとＤの差は、最大出力に対して現在の出力にどの程度の余裕があるかを意味する。図６の例では、第２比Ｄが１００％を超える一方で第１比Ｃよりは小さいので、現在の出力は最大出力を超えておらず、故に現在の状態は、短時間の加工ならば問題はないが、長時間の継続加工はできないことを意味する。このように、第１比及び第２比を同一画面に同時に表示することで、オペレータは、現在の出力の連続定格出力に対する余裕と、最大出力に対する余裕との両方を知ることができる。

図７は、図６と同じ第１比Ｃ及び第２比Ｄを、同じ画面上に棒グラフとして表示した例を示す図である。第１比Ｃの値を示した棒グラフ３８と、第２比Ｄの値を示した棒グラフ４０を、いずれも最大値を２４０％（＝第１比Ｃ）として（同スケールで）並べて表示すると、連続定格出力に対する現在の出力の余裕（つまり第２比Ｄと１００％の差）、及び最大出力に対する現在の出力の余裕（つまり第２比Ｄと第１比Ｃの差）を視覚的に容易に把握することができる。なお図７に示すように、第１比Ｃ及び第２比Ｄの値を数値で併記してもよい。

さらに、図７に示すように、２つの棒グラフを並べて表示することに加え、各棒グラフを第１比又は第２比の値等に応じて色分けすることもできる。例えば、第１比に関する棒グラフ３８において、０〜１００％（すなわち連続定格出力以下の範囲）を青色、１００〜２１６％を黄色、２１６％〜２４０％までを赤色に色分けし、視認性をさらに高めることもできる。なお２１６％は、最大出力（２４０％）までの余裕が少ないことをオペレータに周知させるための閾値として設定した値であり、他の値（例えば１９２％又は２０４％）でもよい。

１０工作機械
１２モータ
１４主軸
１６ワーク
１８制御装置
２０速度検出部
２２出力演算部
２４第１記憶部
２６第２記憶部
２８第１比演算部
３０第２比演算部
３２表示部

Claims

工作機械の主軸を駆動するモータを制御する制御装置において、
前記モータの回転速度と最大出力との関係を表す第１データを記憶する第１記憶部と、
前記モータの回転速度と連続定格出力との関係を表す第２データを記憶する第２記憶部と、
前記モータの現在の回転速度における、最大出力及び連続定格出力のうちの一方に対する他方の比である第１比を演算する第１比演算部と、
前記モータの現在の回転速度における、最大出力及び連続定格出力のうちの前記一方に対する前記モータの現在の実出力の比である第２比を演算する第２比演算部と、
前記第１比及び前記第２比を同じ画面上に表示する表示部と、
を具備する制御装置。
前記表示部は、前記第１比及び前記第２比を同じ画面上にそれぞれ数値として表示する、請求項１に記載の制御装置。
前記表示部は、前記第１比及び前記第２比を同じ画面上に棒グラフとしてそれぞれ表示する、請求項１又は２に記載の制御装置。