JP2015075994A

JP2015075994A - モータ温度に応じて動作を変更する工作機械の制御装置及び制御方法

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Publication number: JP2015075994A
Application number: JP2013212833A
Authority: JP
Inventors: 肇置田; Hajime Okita
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2013-10-10
Filing date: 2013-10-10
Publication date: 2015-04-20
Anticipated expiration: 2033-10-10
Also published as: CN104570943A; CN104570943B; DE102014014721A1; US9755566B2; JP5727572B2; US20150102756A1; DE102014014721B4

Abstract

【課題】オーバヒートの要因を識別し、それぞれの要因に応じた適切な措置を自動的に採ることのできる工作機械の制御装置及び制御方法の提供。
【解決手段】制御装置１０の第１アンプ１８は、主軸モータ１２が加減速を行っているか否かを判定する加減速判定部２６と、加減速状態において主軸モータ１２の第１温度変化量を推定する第１温度推定部３０と、定常状態において主軸モータ１２の第２温度変化量を推定する第２温度推定部３２と、両温度変化量の比較を行う比較部３４と、を備え、数値制御部１６は、主軸モータ１２のオーバヒート時に、比較部３４の比較結果に応じて、主軸モータ１２及び送り軸モータ１４の少なくとも一方の動作を変更する動作指令を送る。
【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の温度に応じて、該工作機械の動作を変更する機能を備えた制御装置、及び該工作機械の制御方法に関する。

モータにより駆動される主軸や送り軸を有する工作機械では、その主軸において、重切削加工や加減速頻度の高い加工を行うと、モータ温度が上昇し、主軸駆動用モータがオーバヒートになることがある。このような不具合を回避するため、例えば特許文献１には、可動体を駆動するサーボモータの温度を検出し、検出された温度に応じて可動体の加減速時定数を変更するようにサーボモータを制御する技術が記載されている。

また、特許文献２には、送り軸モータの温度を予測演算して温度データを作成し、該温度データと予め記憶した所定の温度データとを比較し、その比較結果に応じて送り軸の加減速時定数を変更する技術が記載されている。

さらに、特許文献３には、横編機のキャリッジ駆動用モータの平均負荷トルクに基づいて仮想的なモータ温度を算出し、仮想温度が許容値を超えているときに、モータへの印加電力を低減させる技術が記載されている。

特開２００３−００９５６３号公報特開平０９−１７９６２３号公報特開２００９−０４１１３０号公報

特許文献１及び２の技術は、検出又は推定されたモータ温度に基づいて、加減速の時定数を変更するものである。一般に、モータの加減速に一定のトルクが必要でかつ、加減速の頻度が高い場合、モータの発熱量が大きくなるため、該発熱量を抑制するために時定数を変更する（延ばす）ことは有効ではある。しかしながら、モータがオーバヒート状態になる要因としては、加減速によるものだけでなく、負荷の大きい加工を一定速で続ける場合もある。このようなオーバヒートに対しては、時定数を延ばすことは有効ではない。

一方、特許文献３に記載の技術は、該特許文献が対象としている横編機のように、速度が変化してもモータの回転トルクがほぼ一定の場合には有効であるが、工作機械のように、モータの速度を下げると切削負荷が急激に上昇するような場合には適用できない。

このように、工作機械の主軸におけるオーバヒートの原因は、加減速による大電流（及びその頻度）と、大きな切削負荷による大電流（及びそれが継続的にかかる時間）とが考えられるが、従来は、これらの原因を区別して、原因に応じた措置を適切に採ることができなかった。

そこで本発明は、オーバヒートの要因を識別し、それぞれの要因に応じた適切な措置を自動的に採ることのできる工作機械の制御装置及び制御方法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、主軸を駆動する主軸モータと、送り軸を駆動する送り軸モータとを有する工作機械の制御装置であって、前記主軸モータ及び前記送り軸モータに動作指令を送る数値制御部と、前記主軸モータが加減速状態にあるか否かを判定する加減速判定部と、前記主軸モータに流れる電流値を検出する電流検出部と、前記主軸モータが加減速状態にあった期間において、前記主軸モータに流れた電流によって変化する前記主軸モータの第１温度変化量を推定する第１温度推定部と、前記主軸モータが加減速状態以外の状態にあった期間において、前記主軸モータに流れた電流によって変化する前記主軸モータの第２温度変化量を推定する第２温度推定部と、前記第１温度変化量と、前記第２温度変化量との比較を行う比較部と、前記主軸モータの総合温度変化量を取得するモータ温度取得部と、を備え、前記数値制御部は、前記総合温度変化量が所定の閾値を超えたときに、前記比較部の比較結果に応じて、前記主軸モータ及び前記送り軸モータの少なくとも一方への動作指令を変更する、制御装置を提供する。

第２の発明は、第１の発明において、前記モータ温度取得部は、前記第１温度推定部の推定値と、前記第２温度推定部の推定値との合算値に基づいて前記主軸モータの温度を取得する、制御装置を提供する。

第３の発明は、第１の発明において、前記モータ温度取得部は、前記主軸モータに内蔵されたサーミスタの出力値に基づいて前記主軸モータの温度変化量を取得する、制御装置を提供する。

第４の発明は、第１〜第３のいずれか１つの発明において、前記加減速判定部は、前記主軸モータへの速度指令又は前記主軸モータの実速度の傾きを計算し、該傾きが所定の閾値を超えている場合に、前記主軸モータが加減速状態にあると判定する、制御装置を提供する。

第５の発明は、第１〜第３のいずれか１つの発明において、前記加減速判定部は、前記主軸モータへの速度指令と前記主軸モータの実速度との差である速度偏差を計算し、該速度偏差が所定の閾値を超えている場合に、前記主軸モータが加減速状態にあると判定する、制御装置を提供する。

第６の発明は、第１〜第５のいずれか１つの発明において、前記第１温度推定部の推定値が、前記第２温度推定部の推定値に１以上の係数を掛けた値より大きい場合、前記主軸モータの出力を下げる、制御装置を提供する。

第７の発明は、第６の発明において、前記主軸モータの加減速時の出力を下げるために、前記主軸モータへのトルク指令の低減及び加減速時定数の増加の少なくとも一方を行う、制御装置を提供する。

第８の発明は、第１〜第５のいずれか１つの発明において、前記第２温度推定部の推定値が、前記第１温度推定部の推定値に１以上の係数を掛けた値より大きい場合、前記送り軸モータの速度を下げる、制御装置を提供する。

第９の発明は、第１〜第５のいずれか１つの発明において、前記第１温度推定部の推定値が前記第２温度推定部の推定値に１以上の係数を掛けた値以下であり、かつ、前記第２温度推定部の推定値が前記第１温度推定部の推定値に１以上の係数を掛けた値以下である場合、前記主軸モータの出力を下げるとともに、前記送り軸モータの速度を下げる、制御装置を提供する。

第１０の発明は、主軸を駆動する主軸モータと、送り軸を駆動する送り軸モータとを有する工作機械の制御方法であって、前記主軸モータが加減速状態にあるか否かを判定するステップと、前記主軸モータに流れる電流値を検出するステップと、前記主軸モータが加減速状態にあった期間において、前記主軸モータに流れた電流によって変化する前記主軸モータの第１温度変化量を推定するステップと、前記主軸モータが加減速状態以外の状態にあった期間において、前記主軸モータに流れた電流によって変化する前記主軸モータの第２温度変化量を推定するステップと、前記第１温度変化量と、前記第２温度変化量との比較を行うステップと、前記主軸モータの総合温度変化量を取得するステップと、前記総合温度変化量が所定の閾値を超えたときに、前記第１温度変化量と前記第２温度変化量との比較結果に応じて、前記主軸モータ及び前記送り軸モータの少なくとも一方への動作指令を変更するステップと、を含む制御方法を提供する。

本発明によれば、加減速状態及びそれ以外の状態のそれぞれについて主軸モータの温度変化量を推定し、主軸モータがオーバヒート（又はそれに近い状態）となったときはその主因が加減速電流及び定常電流のいずれであるか（或いは双方か）を判定できるので、その判定結果に応じて適切な措置を採り、オーバヒートの要因の効率的な排除を自動で行うことができる。

本発明に係る工作機械の制御装置の基本構成を示す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。本発明に係る制御装置の第１の実施形態を示す機能ブロック図である。本発明に係る制御装置の第２の実施形態を示す機能ブロック図である。

図１は、本発明に係る工作機械の制御装置の基本構成を示す機能ブロック図である。制御装置１０は、工作機械の主軸及び送り軸（図示省略）をそれぞれ駆動する主軸モータ（例えばスピンドルモータ）１２及び送り軸モータ（例えばサーボモータ）１４を制御する数値制御部（ＮＣ）１６を有し、数値制御部１６からの動作指令等の指令は、主軸モータ１２及び送り軸モータ１４にそれぞれ接続された主軸モータ駆動用アンプ（第１アンプ）１８及び送り軸モータ駆動用アンプ（第２アンプ）２０に送られ、第１アンプ１８及び第２アンプ２０はそれぞれ、数値制御装置１６からの指令に基づく電流を主軸モータ１２及び送り軸モータ１４に供給する。図１の例では、第１アンプ１８及び第２アンプ２０はそれぞれ、第１アンプ通信バス２２及び第２アンプ通信バス２４を介して数値制御部１６に接続され、数値制御部１６からの指令はこれらのバスを介して第１アンプ１８又は第２アンプ２０に送られる。

第１アンプ１８は、主軸モータ１２が加減速を行っているか否かを判定する加減速判定部２６と、主軸モータ１２に流れる電流値を検出する電流検出部２８と、主軸モータ１２が加減速を行っていた期間において、主軸モータ１２に流れた電流による主軸モータ１２の温度変化量を推定する第１温度推定部３０と、主軸モータ１２が加減速以外の動作（例えば停止や定速回転）を行っていた期間において、主軸モータ１２に流れた電流による主軸モータ１２の温度変化量を推定する第２温度推定部３２と、第１温度推定部３０の推定値と、第２温度推定部３２の推定値との比較を行う比較部３４と、主軸モータ１２の温度を取得するモータ温度取得部３６と、を備え、数値制御部１６は、温度取得部３６により得られた主軸モータ１２の温度が所定の閾値を超えたときに、比較部３４の比較結果に応じて、主軸モータ１２及び送り軸モータ１４の少なくとも一方の動作を変更する動作指令を送る。

次に、上述した各部の作用について、図２に示すフローチャートを参照しつつ説明する。
本発明は、主軸モータ１２のオーバヒートの原因を明確にするために、主軸モータ１２の温度変化（上昇）量を、主軸モータの加減速による要因と、主軸モータに対する定常的な負荷による要因とに分けることを要旨とする。そこで先ず、所定のサンプリング周期で、電流検出部２８を用いて主軸モータ１２の電流フィードバックデータＣfb(n)を取得し（ステップＳ１）、数値制御部１６からの速度指令Ｖcmd(n)を取得する（ステップＳ２）。

次に、ステップＳ２で取得したＶcmd(n)と、前回のサンプリング周期で取得した速度指令Ｖcmd(n-1)との差（すなわち速度指令の傾き）の絶対値Ｓ(n)を求め（ステップＳ３）、Ｓ(n)と予め定めた閾値Ｓ₀とを比較する（ステップＳ４）。Ｓ(n)が閾値Ｓ₀より大きい場合は、主軸モータ１２は加減速状態にあると判断し、加減速状態に関する電流値Ｃacc(n)に電流フィードバック値Ｃfb(n)を代入し、一方、加減速状態以外の状態（定常状態）に関する電流値Ｃcst(n)にはゼロを代入する（ステップＳ５）。

逆に、Ｓ(n)が閾値Ｓ₀以下の場合は、主軸モータ１２は定常状態にあると判断し、加減速状態に関する電流値Ｃacc(n)にはゼロを代入し、一方、定常状態に関する電流値Ｃcst(n)には電流フィードバック値Ｃfb(n)を代入する（ステップＳ６）。換言すれば、上述の閾値Ｓ₀は、主軸モータ１２が定常状態にあるとみなし得るときの速度指令の傾きの最大値に設定される。なおステップＳ３〜Ｓ６は、加減速判定部２６により行うことができる。

次に、第１温度推定部３０において、加減速電流Ｃacc(n)による主軸モータ１２の第１温度変化量θacc(n)を推定し（ステップＳ７）、同様に、第２温度推定部３２において、定常電流Ｃcst(n)による主軸モータ１２の第２温度変化量θcst(n)を推定する。具体的には、推定値θacc(n)及びθcst(n)はそれぞれ、以下の式（１）及び（２）により求めることができる。なおλ＝exp（ΔＴ／τ）であり、ΔＴはサンプリング周期であり、τは熱時定数であり、Ｋは電力入力値からモータ温度を求める際に使用する係数である。
θacc(n) ＝ λ・θacc(n-1)＋（1-λ）・Ｋ・(Ｃacc(n))² （１）
θcst(n) ＝ λ・θcst(n-1)＋（1-λ）・Ｋ・(Ｃcst(n))² （２）

次のステップＳ９では、モータ温度取得部３６において、主軸モータ１２の総合温度変化量θ(n)を取得する。図２の例では、推定値θacc(n)及びθcst(n)から、温度変化量θ(n)の推定値を取得する。鉄損が無視できる速度領域では、推定値θ(n)は以下の式（３）から求めることができる。
θ(n) ＝ θacc(n)＋θcst(n) （３）

次のステップＳ１０では、ステップＳ９で得られた主軸モータ１２の温度変化量θ(n)から、主軸モータ１２がオーバヒート又はそれに近い状態にあるか否かを判定する。この処理は、数値制御部１６が行ってもよいし、他の手段によって行ってもよい。具体的には、主軸モータ１２がオーバヒートにあるとみなし得るモータ温度の変化量（温度上昇）に１以下の係数（例えば０．８、０．８５、０．９、又は０．９５等の１未満の係数）を乗じた値θohと、θ(n)とを比較し、θ(n)がθohを超えている場合は、ステップＳ１１に向かう。逆にθ(n)がθoh以下の場合は、主軸モータ１２はオーバヒート又はそれに近い状態にないと判断できるので、ステップＳ１に戻って次のサンプリング周期での処理を行う。

ステップＳ１１では、ステップＳ７で推定した加減速電流によるモータ温度の変化量θaccが、ステップＳ８で推定した定常電流によるモータ温度の変化量θcstより十分に大きいかを判定する。具体的には、以下の式（４）に示すように、θaccと、θcstに１以上の係数ａを乗じた値とを比較し、θaccの方が大きい場合は、主軸モータ１２のオーバヒートの主因は加減速電流による加熱と考えられる。従って式（４）を満たす場合は、ステップＳ１２に進み、主軸モータ１２の動作変更、具体的にはモータ加減速時の出力を下げるために、主軸モータ１２へのトルク指令を減少させるか、加減速時定数を大きくする措置を採る。或いは、トルク指令の低減と加減速時定数の増加の双方を行ってもよい。
θacc(n) ＞ θcst(n)・ａ（ａ≧１）（４）

一方、ステップＳ１１において、θaccが、θcstに１以上の係数ａを乗じた値以下である（式（４）を満たさない）場合は、ステップＳ１３に進み、ステップＳ８で推定した定常電流によるモータ温度の変化量θcstが、ステップＳ７で推定した加減速電流によるモータ温度の変化量θaccより十分に大きいかを判定する。具体的には、以下の式（５）に示すように、θcstと、θaccに１以上の係数ａを乗じた値とを比較し、θcstの方が大きい場合は、主軸モータ１２のオーバヒートの主因は定常電流による加熱と考えられる。従って式（５）を満たす場合は、主軸（主軸モータ）の動作を変更してもオーバヒートの主因は排除できないので、ステップＳ１４に進み、送り軸モータ１４の動作変更、具体的には切削負荷等の定常負荷を下げるために、送り軸モータ１４への速度指令を減少させる措置を採る。なおステップＳ１１及びＳ１３で使用する１以上の係数ａは、工作機械の用途や加工形態等によって適宜設定可能であるが、例えば２以上、３以上、５以上、又は１０以上の値が使用可能である。
θcst(n) ＞ θacc(n)・ａ（ａ≧１）（５）

一方、ステップＳ１３において、θcstが、θaccに１以上の係数ａを乗じた値以下である（式（５）を満たさない）場合は、両温度変化量間の差が所定の範囲内ある（すなわち両者間に大きな差がない）ことを意味する。故に主軸モータ１２のオーバヒートの主因は、加減速電流又は定常電流の一方に特定することができず、換言すれば双方の電流が主因ということになる。そこでこの場合は、ステップＳ１５に進んでステップＳ１２と同等の処理（主軸モータ１２のトルク指令の低減又は加減速時定数の増加）を行い、さらに、ステップＳ１６に進んでステップＳ１４と同等の処理（送り軸モータ１４の速度指令の低減）を行う。もちろん、ステップＳ１５とＳ１６の実行順序は逆でもよいし、両ステップを同時に行ってもよい。なおステップＳ１１〜Ｓ１６のうち、ステップＳ１１及びＳ１３での比較は比較部３４が行い、他の処理は数値制御部１６が行うことができる。

上述のステップＳ１〜Ｓ１６の処理を、所定のサンプリング周期で反復・実行する。このような一連の処理により、加減速電流及び定常電流のそれぞれについてモータ温度の変化量を推定し、主軸モータ温度がオーバヒート（又はそれに近い状態）となったときはその主因が加減速電流及び定常電流のいずれであるか（或いは双方か）を判定できるので、その判定結果に応じて適切な措置を採り、オーバヒートの要因の効率的な排除を自動で行うことができる。

図３は、図２に示したフローチャートの処理に適した、第１の実施形態に係る制御装置１０ａの機能ブロック図である。なお上述のステップＳ３〜Ｓ４の説明では、主軸モータ１２が加減速状態にあるか否かの判定に数値制御部１６からの速度指令Ｖcmdを使用したが、図３の破線３８で示すように、数値制御部１６からの速度指令の代わりに、主軸モータ１２の実速度を所定のサンプリング周期で取り込んで、ステップＳ３〜Ｓ４と同様の処理によって加減速状態の判定をしてもよい。なお図３において、図１の構成要素と同等の機能を有する構成要素については、図１と同じ参照符号を付し、詳細な説明は省略する。

図４は、第２の実施形態に係る制御装置１０ｂの機能ブロック図である。制御装置１０ｂでは、図３の制御装置１０ａのようにモータ温度取得部３６が、第１温度推定部３０及び第２温度推定部３２で得られた温度変化量の推定値θacc及びθcstの合算（和）によりモータ温度を取得するのではなく、主軸モータ１２に取付けた（内蔵された）サーミスタ４０等の、主軸モータ１２の温度を検出する温度検出器の出力を所定のサンプリング周期で取得し、モータ温度の変化量を取得する。

また制御装置１０ｂでは、加減速判定部２６での加減速判定において、制御装置１０ａのように速度指令又はモータ実速度の変化割合（傾き）を使用するのではなく、主軸モータ１２への速度指令と主軸モータ１２の実速度の偏差（速度偏差）を求め、該速度偏差が所定の閾値を超えているときを加減速状態と判定する。つまり、一般に加減速時では、実速度が速度指令に一致（追従）するまでに一定の時間遅れ（タイムラグ）があるので、速度偏差が比較的大きいときは加減速状態にあると判断することができる。なお図４において、図１の構成要素と同等の機能を有する構成要素については、図１と同じ参照符号を付し、詳細な説明は省略する。

なお本発明に係る制御装置は、図３及び図４に記載したものに限定されない。例えば、モータ温度取得部３６が第１温度推定部３０及び第２温度推定部３２で得られた推定値を使用するとともに、加減速判定部が速度指令と実速度との速度偏差を使用する形態も可能である。また、モータ温度取得部３６がサーミスタ４０の出力を使用するとともに、加減速判定部が速度指令又は実速度の変化割合を使用する形態も可能である。

１０、１０ａ、１０ｂ制御装置
１２主軸モータ
１４送り軸モータ
１６数値制御部
１８主軸モータ駆動用アンプ
２０送り軸モータ駆動用アンプ
２２、２４通信バス
２６加減速判定部
２８電流検出部
３０第１温度推定部
３２第２温度推定部
３４比較部
３６モータ温度取得部
４０サーミスタ

Claims

主軸を駆動する主軸モータと、送り軸を駆動する送り軸モータとを有する工作機械の制御装置であって、
前記主軸モータ及び前記送り軸モータに動作指令を送る数値制御部と、
前記主軸モータが加減速状態にあるか否かを判定する加減速判定部と、
前記主軸モータに流れる電流値を検出する電流検出部と、
前記主軸モータが加減速状態にあった期間において、前記主軸モータに流れた電流によって変化する前記主軸モータの第１温度変化量を推定する第１温度推定部と、
前記主軸モータが加減速状態以外の状態にあった期間において、前記主軸モータに流れた電流によって変化する前記主軸モータの第２温度変化量を推定する第２温度推定部と、
前記第１温度変化量と、前記第２温度変化量との比較を行う比較部と、
前記主軸モータの総合温度変化量を取得するモータ温度取得部と、を備え、
前記数値制御部は、前記総合温度変化量が所定の閾値を超えたときに、前記比較部の比較結果に応じて、前記主軸モータ及び前記送り軸モータの少なくとも一方への動作指令を変更する、制御装置。
前記モータ温度取得部は、前記第１温度推定部の推定値と、前記第２温度推定部の推定値との合算値に基づいて前記主軸モータの温度を取得する、請求項１に記載の制御装置。
前記モータ温度取得部は、前記主軸モータに内蔵されたサーミスタの出力値に基づいて前記主軸モータの温度変化量を取得する、請求項１に記載の制御装置。
前記加減速判定部は、前記主軸モータへの速度指令又は前記主軸モータの実速度の傾きを計算し、該傾きが所定の閾値を超えている場合に、前記主軸モータが加減速状態にあると判定する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の制御装置。
前記加減速判定部は、前記主軸モータへの速度指令と前記主軸モータの実速度との差である速度偏差を計算し、該速度偏差が所定の閾値を超えている場合に、前記主軸モータが加減速状態にあると判定する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の制御装置。
前記第１温度推定部の推定値が、前記第２温度推定部の推定値に１以上の係数を掛けた値より大きい場合、前記主軸モータの出力を下げる、請求項１〜５のいずれか１項に記載の制御装置。
前記主軸モータの加減速時の出力を下げるために、前記主軸モータへのトルク指令の低減及び加減速時定数の増加の少なくとも一方を行う、請求項６に記載の制御装置。
前記第２温度推定部の推定値が、前記第１温度推定部の推定値に１以上の係数を掛けた値より大きい場合、前記送り軸モータの速度を下げる、請求項１〜５のいずれか１項に記載の制御装置。
前記第１温度推定部の推定値が前記第２温度推定部の推定値に１以上の係数を掛けた値以下であり、かつ、前記第２温度推定部の推定値が前記第１温度推定部の推定値に１以上の係数を掛けた値以下である場合、前記主軸モータの出力を下げるとともに、前記送り軸モータの速度を下げる、請求項１〜５のいずれか１項に記載の制御装置。
主軸を駆動する主軸モータと、送り軸を駆動する送り軸モータとを有する工作機械の制御方法であって、
前記主軸モータが加減速状態にあるか否かを判定するステップと、
前記主軸モータに流れる電流値を検出するステップと、
前記主軸モータが加減速状態にあった期間において、前記主軸モータに流れた電流によって変化する前記主軸モータの第１温度変化量を推定するステップと、
前記主軸モータが加減速状態以外の状態にあった期間において、前記主軸モータに流れた電流によって変化する前記主軸モータの第２温度変化量を推定するステップと、
前記第１温度変化量と、前記第２温度変化量との比較を行うステップと、
前記主軸モータの総合温度変化量を取得するステップと、
前記総合温度変化量が所定の閾値を超えたときに、前記第１温度変化量と前記第２温度変化量との比較結果に応じて、前記主軸モータ及び前記送り軸モータの少なくとも一方への動作指令を変更するステップと、を含む制御方法。