JP2017204038A - 当接解除装置を備えた工作機械の衝突検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】工作機械の移動主軸台や刃物台あるいはローダやアンローダのアームやハンドその他の移動ユニットが他の部材と衝突して機械が緊急停止した後に残る残留応力を解放するために行われる送りモータの戻り量をより適切に設定できるようにする。
【解決手段】当接解除装置２が、移動ユニット４の衝突位置ないし衝突位置とみなした衝突検出位置を基準として戻り量設定器２２に設定された戻り量だけ送りモータ５を逆回転させる。通常は、衝突検出位置を衝突位置とみなしても大きな誤差は生じないが、移動ユニット４や衝突された部材の剛性が低い場合には、移動ユニット４の速度に応じた戻り量を設定する制御や、衝突後の負荷の立ち上がり曲線から実際の衝突位置を推定する制御がより好ましい。
【選択図】図１

Description

この発明は、工作機械の移動主軸台や刃物台あるいはローダやアンローダのアームやハンドその他の移動ユニットが他の部材と衝突して機械が緊急停止した後に、当該移動ユニットや他の部材に残る衝突後応力を解放する装置に関するものである。

工作機械の主軸台や刃物台またはローダやアンローダのアームやハンドなどの移動ユニットは、ＮＣ装置で制御される送りモータによって駆動されている。ＮＣ装置は、これらの移動ユニットの位置と速度とを制御しており、必要に応じて送りモータのトルクを制限して過大な負荷が加わらないようにしている。

一方、制御技術の発達により、多軸制御が一般的に行われるようになってきており、また工作機械とローダ・アンローダ等の搬送装置とを統合的に制御することにより、長時間の無人加工を行うことも一般的になってきている。

このように工場の自動化が進展すると、制御誤りやワークの供給誤りなどのために、移動ユニットがワークや他のユニットに衝突するという事故が発生しやすくなる。そこでこのような事故が起こったとき、ワークや機械の損傷を最小限に抑えるために、移動ユニットに作用する過負荷を検出して、移動ユニットを緊急停止させることが行われている。

例えば図６に示す旋盤の刃物台４ａは、Ｘ軸送りモータ５ｘ及びＺ軸送りモータ５ｚの回転によりＸ軸及びＺ軸方向に移動して当該刃物台に装着された工具６で主軸チャック７に把持された素材ワークｗを加工する。刃物台４ａは、ＮＣ装置からのＸ軸モータ５ｘ及びＺ軸モータ５ｚへの速度指令ｅに従って、加工中は低速で移動し、１ブロックの加工が終わって次の位置に移動するときは高速で移動する。

また、図７に示すワークローダは、アーム８の先端のワークハンド４ｂで把持した素材ワークｗを旋盤の主軸チャック７に装填するとき、図に想像線で示す待機位置から主軸チャック７の直近まで高速移動ｕし、その後のＺ軸方向の低速移動ｖで素材ワークｗを主軸チャック７に挿入する。

刃物台４ａやワークハンド４ｂの移動時に、加工プログラムミスや素材ワークの取り違えによって、刃物台４ａや工具６が主軸チャック７やワークｗに衝突することがある。この衝突による機械やワークの損傷を避けるために、衝突を検出して送りモータ５を緊急停止させる衝突検出装置が設けられる。

図６のＺ軸方向の緊急停止装置について説明すると、Ｚ軸送りモータ５の電源回路に電流計１８を設け、衝突により生ずる過負荷によって駆動電流が設定器３５に設定された値を超えたときに、比較器３１から緊急停止信号ａを出力して、送りモータ５を緊急停止させる。

過負荷の検出を電気的に行う衝突検出装置は、設定値の変更が容易であることや、機械が緊急停止した後の定常状態への回復が容易であること、緊急停止したときに送りモータ５を若干逆転させることにより、機械やワークの損傷を軽減することもできる。

本願の出願人は、特許文献１において、移動ユニットが、ワークや他のユニットに衝突した際のワークや機械の損傷、特にこれらの移動ユニットの高速移動時に衝突が起きたときの損傷を可及的に軽減することを課題として、負荷設定器３５に衝突検出用の設定負荷を複数設定して、ＮＣ装置から移動ユニットに低速移動指令が出力されているときは、高い方の設定負荷を自動設定し、高速移動指令が出力されたときは、低い方の設定負荷を自動的に設定させることを提案している。この場合、低い方の設定負荷を指令された移動速度ｅに応じて段階的または連続的に変化させることも提案している。

特許第３５２９０１０号公報

衝突が検出されてから移動ユニットが停止するまでには、きわめて短時間であるけれども時間遅れが生ずる。この時間遅れのために、衝突した両者には衝突時の負荷より大きな残留負荷が残ることとなり、その残留負荷は、移動ユニットの速度が速ければ速いほど大きくなる。特に、衝突が無人連続運転中に起こると、衝突した両者に大きな残留負荷が作用し続けることにより機械が損傷するおそれがある。そこで前述したように、衝突後に送りモータを若干逆転させて、衝突により生じた応力を解放するようにしている。

従来、この衝突応力の解放は、移動ユニットが停止した位置から設定された戻り量だけ送りモータを逆転させることによって行われている。衝突した部材の剛性や衝突速度によって衝突負荷を解放するのに必要な戻り量は一定ではないが、充分に大きな戻り量を設定しておけば、どのような条件で衝突しても衝突負荷を解放することができる。

しかし、例えば刃物台が剛性の低いワークローダのアームに衝突した場合と、加工中のワークに衝突した場合とを考えると、衝突負荷を解放する戻り量に大きな差があると思われ、衝突後の移動ユニットの惰走量によっては、引き戻し後も衝突箇所が接触したままになって衝突後のダメージが大きくなる場合があると考えられる。

また、近時の工作機械は、精度の高い加工と共に微細な加工が要求されるようになってきている。微細な加工を行う工作機械では、衝突検出後の送りモータの戻り量を大きくする、すなわち、移動ユニットを大きく引き戻すと、その戻り移動中に移動ユニットが反対側の部材に衝突する危険が生ずる。この新たな問題を避けるためには、衝突によって移動ユニットが停止した後の移動ユニットの引き戻し量を必要最小限にするのが望ましい。

この発明は、衝突により生じた残留応力を解放するために行われる移動ユニットの戻り移動時に新たな問題が発生するのを防止するためになされたもので、残留応力を解放するための送りモータの戻り量をより適切に設定できるようにすることを課題としている。

この発明は、ＮＣ工作機械の運転中に刃物台４ａやローダのワークハンド４ｂなどの移動ユニット４に作用する異常負荷を検出して機械を緊急停止させる衝突検出装置において、衝突によって生じた応力が残留して機械にダメージ（損傷ないしストレス）を与えることを避けるために行われる衝突検出後の移動ユニット４の引き戻し処理を衝突検出位置基準ないし衝突位置基準で行うことにより、上記課題を解決したものである。

すなわちこの発明の衝突検出装置は、移動ユニット４（４ａ、４ｂ）を駆動する送りモータ５の運転負荷ｂが負荷設定器３５に設定された衝突検出用の設定負荷ｃに達したときに衝突検出信号ｄを出力して送りモータ５を緊急停止させる緊急停止装置３４と、送りモータ５が緊急停止した後に当該送りモータを戻り量設定器２２（２２ａ、２２ｂ、２２ｃ）に設定された戻り量だけ逆回転させる当接解除装置２とを備えた工作機械の衝突検出装置において、当接解除装置２が、移動ユニット４の衝突位置ないし衝突位置とみなした衝突検出位置を基準として戻り量設定器２２に設定された戻り量だけ送りモータ５を逆回転させることを特徴とするものである。

衝突が起こってから負荷設定器３５に設定された設定負荷ｃが検出されるまでに電気信号の処理に必要な検出系の時間遅れが生ずる。一方、設定負荷ｃが検出されてから移動ユニット４が停止するまでには、主として移動ユニット（駆動系を含む。）の慣性に起因する時間遅れが生ずる。検出系の時間遅れは慣性による時間遅れに比べてはるかに小さいから、移動ユニットの速度に関りなく衝突検出位置を衝突位置とみなしても大きな誤差は生じない。

一方、移動ユニット４や衝突された部材の剛性（主として支持剛性）が低い場合には、撓みに起因して実際の衝突位置と衝突検出位置との間に誤差が生ずる。このような場合には、移動ユニット４の速度に応じた戻り量を設定する制御や、衝突後の負荷の立ち上がり曲線から実際の衝突位置を推定する制御がより好ましい。

衝突時の移動ユニット４の移動速度の影響を考慮する場合は、戻り量設定器２２ｂに複数の戻り量を設定して移動ユニット４の移動速度範囲に応じた戻り量を自動選択する制御や、移動速度を変数として戻り量を演算する戻り量設定器２２ｃを設けて、移動速度に応じた戻り量を自動設定する制御とすることもできる。

この発明により、戻り量を小さく設定しても衝突した部材相互を離隔させた状態にまで戻すことができ、衝突した部材相互が当接したままになって長い間衝突によって生じた部材内部の応力が解放されないで機械にダメージを与えるのを最小限に抑えることができる。

また、小さな戻り量で衝突した部材相互の当接を確実に解除できるので、戻り移動時に移動ユニット４が反対側の部材に衝突する事態を回避することができる。

従ってこの発明により、運転中、特に長時間の無人運転中に生じた機械部材相互の衝突による機械のダメージを可及的に抑えることができるという効果がある。

第１実施例のブロック図 第２実施例のブロック図 第３実施例のブロック図 第４実施例のブロック図 第４実施例の衝突位置の演算方法を示す説明図 刃物台の動作を示す説明図 ローダの動作を示す説明図

以下、特許文献１で提案した衝突検出装置にこの発明を実施した場合を例にして、この発明の実施形態を説明する。図において、３は特許文献１で提案した従来構造の衝突検出装置本体、２（２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ）は当該衝突検出装置本体３に付加された当接解除装置、１は移動ユニット４（刃物台４ａやワークハンド４ｂ）の動作を制御しているＮＣ装置である。

移動ユニット４を駆動する送りモータ５の電源回路には負荷検出用の電流計１８が設けられており、電流計１８の出力値に基いて、負荷検出器３２が送りモータ５の出力トルクを検出し、慣性負荷補正器３３により移動ユニット４（４ａ、４ｂ）の慣性負荷を補正した負荷が検出されている。衝突検出用の過負荷を設定する設定器として、高レベル設定器３５ａと低レベル設定器３５ｂとが設けられている。高レベル設定器３５ａには高い値が設定されており、低レベル設定器３５ｂには低い値が設定されている。

レベル選択器３７は、ＮＣ装置１から送りモータ５に低速移動指令が出力されているときは、高レベル設定器３５ａに設定された負荷を選択して比較器３１に与える。またＮＣ装置１から高速移動指令が与えられているときは、低レベル設定器３５ｂの設定負荷を選択して、比較器３１に与える。

比較器３１は、検出された運転負荷（以下、「検出負荷」と言う。）ｂとレベル選択器３７が選択した設定負荷ｃとを比較して、検出負荷ｂが設定負荷に達したとき、衝突検出信号ｄを緊急停止装置３４に与え、これを受けた緊急停止装置３４が送りモータ５を緊急停止させる。

なお、特許文献１に示されているように、低レベル設定器３５ｂにレベルの異なる３種以上の設定値を設定し、送りモータ５の速度が速くなるほどレベル選択器３７が低いレベルの設定値を選択して衝突検出用の設定負荷とする制御や、低レベル設定器３５ｂにＮＣ装置１から速度指令ｅの指令値と設定された定数とに基づいて、移動ユニットの速度が速くなるほど低い値を演算するレベル演算器を登録して、移動ユニットの速度が速くなるほど低いレベルの設定負荷を演算して衝突検出用の設定負荷とする制御も可能である。

図１に想像線で囲んで示す第１実施例の当接解除装置２ａは、検出位置記憶器２１と、戻り量設定器２２ａと、戻り位置演算器２３とを備えている。検出位置記憶器２１は、比較器３１から衝突検出信号ｄを受けたとき、そのときの移動ユニット４の位置ないし送りモータ５の位相を記憶する。戻り量設定器２２ａには、衝突検出信号ｄが出力されたときの移動ユニットの位置（衝突検出位置）を基準とする移動ユニット４の引き戻し量ないし送りモータ５の逆転量が設定される。戻り位置演算器２３は、検出位置記憶器２１が記憶した衝突検出位置から戻り量設定器２２ａに設定された戻り量だけ移動ユニット４を戻した位置（戻り位置）を演算して戻り位置信号ｆをＮＣ装置１に送る。ＮＣ装置１は、送りモータ５の停止信号を受けた後、移動ユニットを戻り位置に移動して衝突により生じた負荷を解放する。

衝突が刃物台とワークとの当接のように、高剛性の部材同士の衝突であれば、衝突したあと直ちに検出負荷ｂが設定負荷ｃに達するから、衝突検出位置を衝突位置とみなして戻り位置を演算しても、戻り量が不足して衝突した部材同士が当接したままの状態で停止したり、戻り量が過大になって戻り動作時に反対側の部材に衝突するようなおそれはない。

しかし、刃物台に装置したドリルとワークとの衝突や、ローダのアーム先端に把持されたワークと主軸チャックとの衝突のような、剛性の低い部材の衝突の場合には、ドリルやアームの撓みによって衝突時の負荷の立ち上がりが緩やかになるので、衝突を検出した位置と実際に衝突が起こった位置とに無視できない差が生ずることがある。

このような場合には、衝突検出位置を衝突位置とみなして戻り位置を演算すると、戻した後でも衝突した部材同士が当接したままになるおそれがある。このようなおそれがある場合には、負荷設定器３５に移動ユニットの速度範囲に応じた負荷を複数設定する第２実施形態や、衝突位置をより正確に演算する第３実施形態を採用することができる。

図２は、衝突前の移動ユニットの移動速度範囲ごとに複数の戻り量を設定する場合の当接解除装置の例である。この第２実施例では、複数の戻り量を設定可能な戻り量設定器２２ｂと、戻り量選択器２４とが設けられる。戻り量設定器２２ｂには、ＮＣ装置１から移動ユニットの送りモータ５に与えられている移動指令の所定の速度範囲毎の戻り量を設定する。戻り量選択器２４は、ＮＣ装置１から速度指令ｅを受けて、その速度指令の速度範囲に対応する設定量を選択して戻り位置演算器２３に与える。これにより、戻り位置演算器２３は、衝突時の移動ユニットの速度範囲に対応する戻り位置を演算できる。

図２の第２実施例は、移動ユニットの速度に応じて段階的に戻り量を変更する制御であるが、図３に示すように、戻り量を移動ユニットの関数として連続的に変化させる制御も可能である。図３の第３実施例では、戻り量設定器２２ｃに定数とＮＣ装置１から送りモータ５に与えられている速度指令ｅを変数とする演算式を登録して、当該定数と速度指令ｅとによって戻り量を演算するようにしたものである。

図４に示す第４実施例は、衝突によって送りモータ５の負荷が図５に示すように直線的に立ち上がって設定負荷ｃに達するとみなして、その立ち上がり直線ｓと、衝突前の送りモータ５の定常負荷ｔとの交点ｐを衝突位置とするものである。

第４実施例の当接解除装置２ｄは、第１実施例で説明した検出位置記憶器２１、戻り量設定器２２ａ及び戻り位置演算器２３に加えて、定常負荷記憶器２５と、中間負荷演算器２６と、補助比較器２７と、中間位置記憶器２８と、衝突位置演算器２９とを備えている。

定常負荷記憶器２５は、慣性負荷補正器３３から出力される検出負荷ｂを常時入力して、予め設定した範囲での直近の定常負荷の平均値を演算して逐次更新しながら記憶する。中間負荷演算器２６は、負荷設定器３５に設定された負荷と定常負荷記憶器２５が演算した直近負荷との中間の負荷を定常負荷記憶器２５の演算値が逐次更新されるごとに演算して記憶する。補助比較器２７は、慣性負荷補正器から出力される検出負荷ｂがその時の中間負荷演算器の演算値と一致したときに、中間負荷検出信号ｇを出力し、中間位置記憶器２８は、そのときの移動ユニットの位置（図５のｏの位置）を記憶する。

その後、過負荷が検出されて衝突検出位置ｍが検出されたときは、衝突位置演算器２９が衝突検出位置と中間位置とに基づいて衝突位置ｎ（図５）を演算して戻り位置演算器２３に与える。戻り位置演算器２３は、移動ユニット４を衝突位置ｎから戻り量設定器２２ａに設定された戻り量だけ戻した位置を演算して戻り位置信号ｆをＮＣ装置１に与え、ＮＣ装置は、送りモータ５の停止信号を受けた後、当該戻り位置に移動ユニットを移動する。

以上の説明から理解されるように、この発明によれば、衝突が検出された後の移動ユニットが停止するまでの惰走の誤差ないしばらつきが消去されて、必要最小限の戻り量を設定することができるから、戻り量が十分でないために、衝突した両部材に内部応力が作用した状態で機械が長時間停止することによって生ずる部材の劣化や、衝突により生じた応力を解放するための戻り量が過大であったために、移動ユニットが反対側の部材に衝突して機械が損傷するなどのトラブルを可及的に防止することができる。

２ 当接解除装置
４ 移動ユニット
４ａ 刃物台
４ｂ ワークハンド
５ 送りモータ
２２（２２ａ、２２ｂ、２２ｃ） 戻り量設定器
３４ 緊急停止装置
３５ 負荷設定器
ｂ 運転負荷
ｃ 設定負荷
ｄ 衝突検出信号

Claims (5)

1. 移動ユニットを駆動する送りモータの運転負荷が設定器に設定された衝突検出用の設定負荷に達したときに衝突検出信号を出力して送りモータを緊急停止させる緊急停止装置と、送りモータが緊急停止した後に当該送りモータを戻り量設定器に設定された戻り量だけ逆回転させる当接解除装置とを備えた工作機械の衝突検出装置において、
   前記当接解除装置が、前記移動ユニットの衝突位置を基準として前記戻り量設定器に設定された戻り量だけ前記送りモータを逆回転させることを特徴とする工作機械の衝突検出装置。
2. 前記当接解除装置が、前記運転負荷が前記設定負荷に達したときの前記移動ユニットの位置を前記衝突位置とみなして送りモータを逆回転させることを特徴とする、請求項１記載の工作機械の衝突検出装置。
3. 前記移動ユニットの移動時における所定期間の前記運転負荷を逐次更新して記憶する定常負荷記憶器と、記憶され定常負荷と前記設定負荷との間の負荷である中間負荷を逐次演算して記憶する中間負荷演算器と、衝突位置演算器と、前記運転負荷と中間負荷とを比較して運転負荷が中間負荷に達したときに中間負荷信号を出力する補助比較器とを備え、前記衝突位置演算器は、前記設定負荷及び設定負荷を検出したときの移動ユニットの位置と、衝突検出信号が出力された直前の中間負荷及び当該中間負荷を検出したときの前記移動ユニットの位置と、衝突検出信号が出力されたときの定常負荷記憶器の記憶値とから衝突位置を演算する、請求項１記載の工作機械の衝突検出装置。
4. 複数の戻り量を設定可能な前記戻り量設定器と戻り量選択器とを備え、戻り量選択器は、送りモータに低速移動指令が与えられているときに小さい戻り量を選択し、送りモータに高速移動指令が与えられているときには大きい戻り量を選択し、前記当接解除装置は、選択された戻り量だけ前記送りモータを逆回転させることを特徴とする、請求項１、２又は３記載の工作機械の衝突検出装置。
5. 戻り量設定器が定数設定器とこの定数設定器に設定された設定値とＮＣ装置から送りモータに与えられている速度指令の指令値に基いて戻り量を演算する戻り量設定器を備え、当該戻り量設定器は、前記速度指令の値が高いほど大きい戻り量を演算する、請求項１、２又は３記載の工作機械の衝突検出装置。

Images