JP4045845B2 - 工作機械の操作訓練装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作機械の操作訓練装置に関するものであり、特に、プログラマブル・ロジック・コントローラ（以下、ＰＬＣと称す）及び数値制御装置（以下、ＣＮＣ装置と称す）により制御される工作機械の操作訓練装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、ワークを切削及び研削などの加工を行う際に、互いに直交するＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の移動を数値制御し、ワーク及び加工工具の位置制御を行うＣＮＣ装置と、加工工具の動作などをシーケンス制御するＰＬＣとを有し、複雑な形状の加工を高精度、かつ高能率に処理することのできる工作機械が種々の産業分野において幅広く利用されている。
【０００３】
これらの工作機械は、機械全体の土台となるベッド上に垂直に立設されたコラムと、コラムに接続され加工工具などを回転させる主軸を含んで構成される主軸頭と、主軸頭に対向して設置され工作物（ワーク）を固定し支持するテーブルと、テーブル、コラム、主軸等を直進または回転運動させる駆動機構となどからなる主要構造部品、及び複数の工具の交換を自動的に行うＡＴＣ（自動工具交換装置）と、パレット交換を自動的に行うＡＰＣ（自動パレット交換装置）と、切削時に発生する熱等を除去するクーラント（切削液）を供給するクーラント供給装置と、加工後の切屑を処理する切屑処理装置と、工作機械全体を覆うカバーと、各装置などを駆動させるための電気設備及び油圧／空気圧設備となどからなる周辺装置と、ＣＮＣ装置・ＰＬＣ・操作盤などの制御部（制御系）とから構成されていることが多い。
【０００４】
上述したように、工作機械は複数の機械部品、装置、及び電子機器などが組合わされて構成されたものであり、その内部構造は複雑である。さらに、各装置やワークの動きは、ＣＮＣ装置やＰＬＣの各プログラムによって電気的に制御されている。さらに、主軸が高速で回転することによって加工作業を行うため、作業に危険性が伴う。したがって、プログラムの異常や操作員の人為的ミスによる誤操作などを防止するため、非常停止や異常報知を行うフェイルセーフシステムなどの安全対策が施されている。
【０００５】
したがって、工作機械を操作する操作員は、安全にかつ、安定した加工精度を保ってワークを加工するために、適切な操作方法（手順）に則って操作を行わなければならない。さらに、前述のフェイルセーフシステムなどにより、工作機械が異常を検知し、非常停止した場合、異常状態にある工作機械を正常な状態に戻す復帰操作または対処手順を習得する必要がある。しかしながら、工作機械は、これらの操作手順が各ワーク加工作業毎に複数存在し、一人の操作員が工作機械に関する操作方法を完全にマスターすることは容易ではなかった。
【０００６】
そこで、工作機械のメーカーは、顧客（機械部品加工会社など）に工作機械を納入する際に、工作機械の通常の操作手順やトラブル発生時の復帰・復旧手順について指導及びトレーニングを実施し、工作機械の操作に精通した操作員の養成を行うことがある。これにより、熟達した操作員によって、適切な操作及び保全が行われ、安定した加工精度を維持し、故障発生などの要因を低く抑えて、工作機械を顧客側で運転させることができる。さらに、誤操作による非常停止や異常報知の回数が少なくなり、工作機械に重大なダメージを与える可能性が低くなる。これにより、修理コストの抑制や、生産ラインの遅延による生産性の低下などの問題を回避することができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した工作機械の操作訓練は、以下のような問題があった。すなわち、メーカーによる操作訓練は、一般に顧客への工作機械の納入時に限られていた。そのため、顧客側の都合（例えば、操作員の定年、配置転換などの人事異動）によって、工作機械の操作員が変更した場合、新たに配属された操作員の指導を顧客側で行う必要があった。ところが、既に工作機械は生産ラインなどに組込まれ、稼働した状態にあり、新規の操作員を指導するための十分な時間を確保することができなかった。そのため、工作機械の操作に不安を感じたまま、操作員は実際の加工作業に従事することがあった。工作機械の操作に不慣れなことなどから人為的ミスを誘発しやすく、誤操作を犯しやすかった。さらに、異常発生時の適切な対処手順を誤り、工作機械の運転に支障をきたすダメージを与えてしまうことがあった。
【０００８】
これにより、工作機械の修理に長期間要し、その間のワークなどの加工作業が遅延するなど、生産ラインに乱れを生じさせ、生産計画及び生産効率に大きな影響を及ぼすことがあった。
【０００９】
加えて、上述の工作機械の操作訓練では、実際の工作機械（以下、「実機」と称す）を利用して行っていた。しかしながら、工作機械は一台当たりの価格が高く、操作訓練用に複数台の実機を用意することはコストの点から難しかった。したがって、一回の操作訓練に参加できる訓練参加者の数が必然的に制限され、係る操作訓練を数回に分けて実施する必要があり、その手続きが面倒になったり、訓練参加者の一人当たりの操作訓練時間が限られ、十分な指導が行えないことがあった。
【００１０】
また、訓練に参加する訓練参加者は、当然のことながら実機の操作に不慣れであった。その結果、訓練時の操作を誤り、実機を故障させてしまうことがあった。したがって、修理コストや、その後の訓練スケジュール等を考慮し、通常の操作方法など、比較的故障の可能性の低い操作の訓練に訓練を留めることがあった。
【００１１】
加えて、実機を用いた操作訓練は、加工作業時に実際に想定される異常を故意に再現することが容易ではなかった。そのため、異常発生時からの復帰操作を訓練参加者に実体験として経験させることが難しかった。これにより、工作機械の操作訓練による指導効果を、訓練参加者に十分に享受させることができないことがあった。
【００１２】
さらに、工作機械の操作方法は、加工対象となるワークの形状や加工方法（切削、及び研削など）によっても大きく異なるほか、工作機械の種類によっても大きく異なっていた。また、同様の加工を行う場合でも、納入先の顧客によって操作方法や操作手順、及び操作盤の配置などが異なる場合があった。そのため、一台の操作訓練用の実機で、全ての工作機械に対応することができなかった。
【００１３】
そこで、本発明は、上記実情に鑑み、実機の操作性を損なうことなく工作機械の操作訓練を実施することができ、異常時の復帰動作を行うことのできる工作機械の操作訓練装置を提供することを課題とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明にかかる工作機械の操作訓練装置は、工作機械を操作する実機の一部としての操作盤、前記操作盤の操作に応じ前記工作機械をシーケンス制御する実機の一部としてのプログラマブル・ロジック・コントローラ及び前記工作機械を数値制御する実機の一部としての数値制御装置を含み、前記プログラマブル・ロジック・コントローラ及び前記数値制御装置の少なくともいずれか一方から前記工作機械の動作を制御する制御信号を出力する実機制御部と、仮想モデルによって前記工作機械の動作をシミュレートする訓練用コンピュータとを接続し、前記訓練用コンピュータは、前記工作機械を構成する各部の形状を定義した形状定義データ、前記各部の連結状態を示す連結状態データ、及び前記制御信号に対応する前記各部の動作を示す動作データを含む機械要素情報を記憶する記憶手段と、前記機械要素情報に基づいて前記工作機械の前記仮想モデルを構築する仮想モデル構築手段と、前記制御信号に基づいて前記仮想モデルを制御し、前記工作機械の動作をシミュレートする仮想制御手段と、シミュレートされた前記工作機械の動作に対応する前記動作応答信号を前記実機制御部に出力する動作応答手段と、前記仮想モデルを三次元化して表示する表示手段とを具備し、実機を操作することに代えて前記実機制御部により前記訓練用コンピュータの前記仮想モデルを操作することにより訓練操作を行えるとともに、訓練プログラムの中から選択された前記工作機械の操作時に想定される異常やトラブルのイベントを故意に前記仮想モデルに発生させ、前記実機制御部を操作することにより、その復帰操作の訓練を行えるようにしたものである。
【００１５】
ここで、操作盤とは、工作機械を操作し、工作機械の各部の動作を指示し、命令するためのものである。例えば、工作機械を操作するための命令、設定した数値、及び実行プログラムなどを入力する機能キー、数字キー（テンキー）、及び文字キーなどの操作キー、及び運転モード（オート／マニュアル）の切替スイッチを含む操作部、設定した数値や選択したプログラムの内容、及び現在の工作機械の稼働状況（異常発生の有無）などを画面やランプで表示する状況表示部、及び異常時に手動によってパルスを発生させ、各軸を原位置に復帰させるためなどに使用する手動パルス発生装置などの機器から構成されたものが挙げられる。また、これらの操作盤の操作部をコンピュータ画面上に新たに作成し、マウスなどの入力デバイスの操作によって、ソフトウェアによって工作機械を操作するものであってもよい。
【００１６】
また、実機制御部とは、予めＰＬＣの内部に記憶されたシーケンスプログラムに則って工作機械の各部の動作をシーケンス制御よって操作したり、ＣＮＣ装置の内部に格納されている数値制御信号に基づいて各軸の位置制御を可能としている。加えて、制御信号によって制御された仮想モデルに応答して出力された工作機械の動作に基づく動作応答信号（フィードバック信号に相当）をＰＬＣに返している。これにより、ＰＬＣ及びＣＮＣ装置は、工作機械の動作の各ステップ毎に動作応答信号を認識し、動作応答信号に対応したシーケンス制御及び数値制御が行える。なお、ＰＬＣおよびＣＮＣ装置は、実機の一部として利用されるハードウェア機器が利用されている。そのため実機と同様に各種信号の送受が行える。
【００１７】
加えて、機械要素情報とは、コンピュータ内の仮想空間に工作機械の仮想モデルを構築するための種々のデータが記憶されたものである。具体的には、工作機械を構成するシリンダ、バルブ、テーブル、サーボモータ、及びＮＣ軸の各部について形状やサイズなどが定義された形状定義データと、各部の連結または接続状態を定義し、互いの位置関係や各部の従属関係を示す連結状態データと、各部の動作に関する動作モード（直進、及び回転動作など）、動作内容（基準位置、動作限界範囲、移動量、動作速度、加速度、回転数）、及びシーケンス制御に基づく動作順序などを定義した動作データを含んで構成されている。
【００１８】
さらに、表示手段とは、構築した仮想モデルを三次元化して表示し、立体として認識することが可能なものである。
【００１９】
したがって、請求項１の発明の工作機械の操作訓練装置によれば、機械要素情報に基づいて工作機械の仮想モデルが構築され、三次元化して表示される。そして、操作盤及び実機制御部から出力された信号に応じて、仮想モデルが制御され、工作機械の動作がシミュレートされるようになる。さらに、仮想モデルの制御に伴って工作機械の動作に対応する動作応答信号が実機制御部に送出される。これにより、仮想モデルは、実機の一部が利用されるＰＬＣ及びＣＮＣ装置に対して実機のように振る舞うことが可能となる。換言すれば、ＰＬＣ及びＣＮＣ装置が、機械要素情報によって構築された仮想モデルを実機として認識した状態になる。さらに、表示された仮想モデルを視覚的に確認しながら、操作盤によって工作機械を実機と同様の感覚で操作することが可能となり、工作機械の操作訓練を行うことが可能となる。
【００２１】
また、操作盤が実機の工作機械の操作部と同一レイアウトに構成されている。そのため、実機と操作訓練装置との間の操作性に違和感がなくなる。これにより、操作訓練装置と実機との操作に戸惑いなどを感じることがない。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態である工作機械の操作訓練装置（以下、「操作訓練装置１」と称す）について、図１乃至図５に基づいて説明する。図１は本発明の操作訓練装置１の構成を示す概略構成図であり、図２は本実施形態の操作訓練装置１の機能的構成を示すブロック図であり、図３は訓練用プログラムの一例を示す説明図であり、図４は操作部の一例を示す説明図であり、図５は手動パルス発生装置の構成を示す正面図である。ここで、工作機械として本実施形態では、研削盤、特に円筒研削盤について例示する。
【００２９】
本実施形態の操作訓練装置１は、図１及び図２に示すように、工作機械を操作する操作盤２、工作機械をシーケンス制御するＰＬＣ３、及び工作機械を数値制御するＣＮＣ装置４から構成され、それぞれ実機の一部として利用されている実機制御部５と、実機制御部５と各種の信号を送受し、構築した仮想モデル６によって工作機械の動作をシミュレートする訓練用コンピュータ７とから構成されている。
【００３０】
操作盤２は、工作機械を操作し、制御するための命令や、設定した数値、及び実行プログラムなどを入力する操作キー部、及び工作機械の動作状況を表示する状況表示部などから構成される操作部と、マニュアルモードの際に手動でパルスを発生させ、各軸を原点位置まで復帰させるための手動パルス発生装置と、操作部及び手動パルス発生装置からの操作によって工作機械を動作させる操作信号８を送出するための操作基板（図示しない）とから構成されている。なお、操作部及び手動パルス発生装置については、後述するため、ここでは詳細な説明を省略する。
【００３１】
ＰＬＣ３は、操作盤２からの操作信号８などに基づいて、予めプログラムされたシーケンスプログラム９に従って、工作機械の各部の動作をシーケンス制御するシーケンス制御信号１０を訓練用コンピュータ７に送出している。さらに、ＰＬＣ３は、訓練用コンピュータ７から送出された動作応答信号１１を受け、動作応答信号１１に応じてシーケンスの次ステップの制御を行っている。
【００３２】
一方、ＣＮＣ装置４は、操作盤２からの操作信号などに基づいて、予めプログラムされた数値制御プログラム１２に従って、工作機械の各軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ軸）の移動量を数値制御する数値制御信号１３を訓練用コンピュータ７に送出している。ここで、操作盤２が本発明の操作手段に相当し、ＰＬＣ３及びＣＮＣ装置４が本発明の制御手段に相当する。
【００３３】
さらに、訓練用コンピュータは、図２に示すように、その機能的構成として、操作盤２、ＰＬＣ３、及びＣＮＣ装置４と接続し、各種信号８，１０，１１，１３の送受を行うＩＦ（インターフェイス）２０と、工作機械を構成する各部の形状及びサイズなどを定義した形状定義データ２１、各部の連結及び接続状態を示す連結状態データ２２、及び各部の動作内容等を定義した動作データ２３を含む機械要素情報２４を記憶するＲＡＭ２５と、記憶した機械要素情報２４に基づいて工作機械の仮想モデル６を構築する仮想モデル構築手段２６と、仮想モデル６を制御信号１０，１３に基づいて制御し、工作機械の動作をシミュレートする仮想制御手段２７と、制御された仮想モデル６に基づいて工作機械の動作に対応する動作応答信号１１を出力する動作応答手段２８と、仮想モデル６を三次元化して表示する表示制御手段２９及びＣＲＴ３０と、ＩＦ２０を介して送受される種々の信号８，１０，１３，１１の入出力を制御するＩ／Ｏ制御手段３１とから主に構成されている。なお、仮想モデル構築手段２６、仮想制御手段２７、動作応答手段２８、及びＩ／Ｏ制御手段３１は、工作機械の動作を制御するための演算処理を行うＣＰＵ３２の機能の一部を利用している。
【００３４】
さらに、表示制御手段２９は、ＣＲＴ３０に表示する仮想モデル６を回転させる回転３３、仮想モデル６のサイズを変更する拡大縮小３４、工作機械の各部を抽出して表示する抽出３５の画像処理が可能である。加えて、訓練用コンピュータ７の基本的操作を可能とするオペレーティングシステムを記憶したＲＯＭ３６や、訓練コンピュータ７を操作するためのキーボード３７及びマウス３８などの周知の要素及び機器を備えている。なお、ＲＯＭ３６には、工作機械の異常動作を故意に発生させ、操作訓練を行うための複数の訓練用プログラム３９が格納されている。ここで、ＲＡＭ２５が本発明における記憶手段に相当し、表示制御手段２９及びＣＲＴ３０が本発明における表示手段に相当し、表示制御手段２９に含まれる各種の画像処理３３，３４，３５が本発明における画像制御手段に相当する。
【００３５】
ここで、訓練用コンピュータ７は、図１に示すように、周知のパーソナルコンピュータなどのハードウェアが利用可能であり、さらにＲＡＭ２５の他に、ハードディスクなどの固定記憶媒体や、フレキシブルディスクやコンパクトディスクなどの持運び容易な記憶媒体、及び係る記憶媒体の読み込み等が可能な駆動装置などを記憶手段として備えていてもよい。
【００３６】
次に、ＲＯＭ３６に記憶された訓練用プログラム３９について、図３に基づいて説明する。訓練用プログラム３９は、工作機械の操作訓練を実施する際に、工作機械に想定される複数の異常内容（＝イベント）をイベント情報４０としてＲＯＭ３６に記憶している。具体的には、図３に示すように、それぞれのイベント名４１、イベントの発生に必要とされる工作機械を構成する各部名称、イベントの発生条件４３、イベント発生時の挙動４４などが定義されている。なお、これらのイベント情報４０は、ＲＡＭ２５に記憶された機械要素情報２４の各データ２１，２２，２３と関連づけられて記憶されている。これにより、訓練用プログラム３９に基づいて仮想モデル６に工作機械の異常を再現させることができる。
【００３７】
次に、本実施形態の操作訓練装置１における操作盤２の操作部５０の一例について図４に基づいて説明する。操作部５０は、図４に示すように、液晶画面によって構成され、画面上に指などが接触することを検知し、個々に対応する操作信号８などを送出可能な、いわゆるタッチパネルのものである。さらに、各画面の表示の色や、点灯・点滅状態によって工作機械の状況を把握することができる。
【００３８】
具体的に説明すると、図４における上から三段目までは、主に工作機械の動作状況を表示する状況表示部５１に相当している。例えば、「といし軸回転中」５１ａ（図４右上）が点灯している場合には、動作応答信号１１によって工作機械の仮想モデル６が、といし軸が回転し、研削加工の動作をシミュレートしていることを示している。さらに、図４の中段にレイアウトされた個々に番号が１〜１１まで付された各操作ボタン５２（例えば、「１．とびら寸行閉じ」など）は、それぞれが工作機械を操作するための操作キーに相当し、同時にワークの加工状態（加工ステップ）が、どの段階まで進んでいるか点灯状態で表示するものである。さらに、個々の操作ボタン５２を押すことによって、各ステップの操作を独立して操作することを可能にする。また、図４の下段の「第１画面」、「第３画面」、及び「第４画面」の画面切替ボタン５３を触れることにより、画面の切替が可能となり、別の設定や操作などを行うことできる。また、図４右下の「異常リセット」ボタン５４により、工作機械が異常により緊急停止した場合に、各設定パラメータを初期値に戻すことができ、「閉じる」ボタン５５により、画面表示をさらに上層の表示（例えば、設定数値の入力画面など）に切替ることができる。
【００３９】
上述の操作部５０からの入力操作によって、操作信号８が出力され、ＰＬＣ３及びＣＮＣ装置４から各制御信号１０，１３が送られて仮想モデル６が制御される。また、仮想モデル６の制御に対応した工作機械の動作を示す動作応答信号１１がＰＬＣ３を介して操作盤２に伝えられ、状況表示部５１に表示される。ここで、操作部５０は、実機の操作盤２に利用されるものと同一の機器である。そのため、仮想モデル６を用いた操作訓練の際に、操作者に実機と同じ操作性、操作感覚を感受させることができる。これにより、実機と操作訓練装置１との間で違和感を覚えることがない。
【００４０】
上記の構成により、実機と同一の機器が利用された操作盤２、ＰＬＣ３、及びＣＮＣ装置４からなる実機制御部５から、実機を操作し、制御するためと同一の信号８，１０，１３が出力される。一方、訓練用コンピュータ７は、ＲＡＭ２５に記憶された機械要素情報２４を構成する形状定義データ２１、連結状態データ２２、及び動作データ２３に基づいて工作機械の動作をシミュレートする仮想モデル６を構築する。そして、制御信号１０，１３を、ＩＦ２０を介し、Ｉ／Ｏ制御手段３１によって受けた訓練用コンピュータ７は、構築した仮想モデル６を制御信号１０，１３によって仮想的に動作させる。
【００４１】
例えば、ＣＮＣ装置４から実機のＸ軸を移動させる数値制御信号１３が送出された場合、構築した仮想モデル６の仮想Ｘ軸（図示しない）を数値制御信号１３によって移動させる指示が仮想制御手段２７から発せられる。すると、数値制御信号１３に応じて仮想モデル６の仮想Ｘ軸が移動する。このとき、仮想Ｘ軸の移動に応じてＲＡＭ２５の機械要素情報２４の連結状態データ２２及び動作データ２３が更新され、新たな状態を示すものに書換えられる。一方、仮想Ｘ軸の移動が完了する仮想モデル６の仮想リミットスイッチがＯＮとなり、動作応答手段３８から動作応答信号１１が実機制御部５のＰＬＣ３に送出される。これにより、ＰＬＣ３は、次のシーケンス制御（例えば、Ｙ軸の移動など）を行うためのシーケンス制御信号９を送出する。
【００４２】
すなわち、本実施形態の操作訓練装置１によれば、実機制御部５から送出された実機と同一の信号１０，１３に応じて仮想モデル６の動きを制御し、実機によって送られる同一の動作応答信号１１が実機制御部５に送り返される。これにより、実機制御部５に対して、訓練用コンピュータ７内で仮想的に構築された仮想モデル６は、実機と同様に振る舞うことができる。すなわち、実機制御部５は、仮想モデル６を実機として認識した状況が創生される。
【００４３】
これにより、実機制御部５の操作盤２の操作部５０から工作機械の操作を行う操作者は、実機と同様の操作性及び操作感覚で、仮想モデル６を制御し、工作機械の動作をシミュレートすることができる。これにより、仮想モデル６を利用した工作機械の操作訓練を行うことができる。
【００４４】
さらに、本実施形態の操作訓練装置１は、構築された仮想モデル６を三次元化して表示することができる。すなわち、仮想モデル６を立体的に確認することができる。これにより、工作機械の動作をシミュレートする操作者は、工作機械のイメージを視覚的に認識することができる。また、実機の動作内容の把握がさらに容易となる。加えて、表示制御手段２９の各種の画像処理（回転３３、拡大縮小３４、及び抽出３５）によって、上述した立体的な認識がより簡便になる。通常の実機を用いた操作訓練では、カバーなどに覆われて、加工工具の動きなどを肉眼で確認することができなかった。しかしながら、本実施形態の操作訓練装置１によれば、例えば、カバーなどの不要な部分を除き、必要な各部のみを抽出して表示することができる。これにより、実際には、見ることのできない各部の動きを、視覚を通じて認識できる。
【００４５】
さらに、本実施形態の操作訓練装置１は、ＲＯＭ３６に記憶された訓練用プログラム３９を利用して、工作機械の操作時に想定される異常やトラブルなどを故意に仮想モデル６に発生させることができる。
【００４６】
例えば、訓練用プログラム３９の中から、「気圧異常」のイベントが選択された場合、訓練用コンピュータ７は、仮想モデル６をイベント情報４０ａに基づいて実機が気圧異常によって運転を停止した状態に再現する。このとき、訓練コンピュータ７からＰＬＣ３を通じて操作部５０の気圧異常表示部５１ｂ（図４左上）を赤色で点滅させる実機と同様の動作応答信号１１が送られる。これにより、工作機械に気圧異常が発生したことを点滅によって操作者に報知する。なお、この異常報知は、ＣＲＴ３０に文字情報などによって表示することもできる。
【００４７】
この場合、訓練参加者は、気圧が正常値にあることを確認した後、操作部５０の「運転準備ボタン」（図示しない）をＯＮにする。これにより、操作盤２から操作信号８が送出され、仮想制御手段２７によって仮想モデル６を異常状態から正常な状態に戻される。すると、動作応答信号１１が再び実機制御部５に送出され、操作部５０の気圧表示部５１ｂが消灯する。これにより、気圧異常に係る適切な操作がなされ、操作訓練が完了したことになる。
【００４８】
次に、訓練用プログラム３９から「ＮＣ異常」のイベントが選択された場合を想定して、実機による操作訓練と、本発明の操作訓練装置１との違いについて述べる。ここで、仮想モデル６はイベント情報４０ｂに従ってＮＣ異常によって運転を停止した状態が再現されている。このとき、同様に動作応答信号１１が実機制御部５に送られ、操作部５０に表示された状態にある。
【００４９】
工作機械に異常が発生した場合、その復帰操作は、上述の「気圧異常」のように簡単な操作で復帰する場合もあるが、異常原因に種々のバリエーションが存在する。そこで、工作機械の操作訓練を行う際には、個々の異常原因に対応させた復帰操作が必要とされる。例えば、「ＮＣ異常」の場合、一般に自動モードの状態で「戻しボタン」を押し、ＮＣ軸の戻しプログラムを起動することによって原点に復帰させることが最初に行われる。しかしながら、この操作で原点に復帰しないことがある。
【００５０】
この場合、運転モードを自動モードから手動モードに切替え、図５に示すような、手動パルス発生装置６０を利用してマニュアルでＮＣ軸を原点に復帰させる操作を行うことがある。手動パルス発生装置６０は、操作盤２の操作部５０の近傍に設けられ、中央のハンドル部６１を回転させることにより、パルスを発生させ、工作機械の各ＮＣ軸の移動を可能とするものである。ここで、各ＮＣ軸の送り量はハンドル部６１の回転数と、送り量選択スイッチ６３とによって決定されている。このとき、”×１”を送り量選択スイッチ６３で選択したつもりで誤って、”×１０”を選択してしまった場合、送り量が１０倍になるため、操作員の想定する以上の量を選択軸が移動することになる。そのため、ＮＣ軸がずれたり、加工工具を破損するなどの故障の原因となる。すなわち、移動するＮＣ軸を選択する軸選択スイッチ６２、及びハンドル送り量を選択する送り量選択スイッチ６３を適切に設定しないと、工作機械のＮＣ軸や加工工具を破損する恐れがある（実機の場合）。
【００５１】
しかしながら、本発明の操作訓練装置１によれば、手動パルス発生装置６０のハンドル部６１の回転によって発生したパルスが操作信号８として訓練用コンピュータ７に送られる。そして、仮想モデル６の仮想ＮＣ軸（図示しない）が操作信号８に基づいて移動する。このとき、送り量選択スイッチ６３の選択を誤って選択したとしても、制御された仮想モデル６によって送出される動作応答信号１１により、仮想ＮＣ軸が、例えば加工対象の仮想ワークに衝突した状況が再現されるだけで、実機の場合のような工作機械に重大な損傷を与えることがない。
【００５２】
そのため、操作訓練の際に誤操作によって実機にダメージを与える問題が回避される。さらに、敢えて、上述の誤った操作を体験させることにより、工作機械がどのようなダメージを被るのかを認識することができるため、操作訓練による効果がさらに高くなる。
【００５３】
以上、本発明について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、以下に示すように、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計の変更が可能である。
【００５４】
すなわち、本実施形態の操作訓練装置１では、操作盤２として実機の一部を利用するものを示したが、操作部５０を画面上にソフトウェア的に再現したものであってもよい。この場合、実機と同一のレイアウトに構成することにより、操作性を同じにすることができる。
【００５５】
さらに、本実施形態の操作訓練装置１は、実機制御部５を他機種の工作機械のものに置換することができる。これにより、操作手順などの異なる工作機械の操作訓練を実機制御部５の部分を変更するだけで実施することができる。これにより、個々の機械に対して操作訓練用の実機を用意する必要がなくなり、操作訓練に係るコストを大幅に削減することができる。
【００５６】
加えて、操作訓練装置１を利用することにより、メーカーは工作機械の電気回路や加工用のＮＣプログラムのデバッグ作業を省力化することができる。すなわち、工作機械の試作時において、異常運転や想定外操作などに関するデバック作業は、安全性の問題から従来は多大な時間と労力をかけていた。しかしながら、本実施形態で示した仮想モデル６を利用することにより、異常テストなどをコンピュータ上で仮想的に実行することができる。そのため、工作機械のリードタイムの短縮につなげられ、開発コストの抑制が可能となる。
【００５７】
【発明の効果】
以上のように、請求項１の発明の工作機械の操作訓練装置は、構築された仮想モデルを実機の一部を構成する実機制御部によって操作及び制御することにより、実機を用いた場合と同レベルの操作訓練を実施することができる。さらに、操作訓練用の実機を用意する必要がないため、操作訓練に係るコストを大幅に抑えることができる。また、操作者の誤操作などによって故障が発生することがない。加えて、異常発生の状態を容易に再現することが可能となり、復帰操作を実際に体験させることができる。
【００５８】
請求項２の発明の工作機械の操作訓練装置は、請求項１の発明の工作機械の操作訓練装置の効果に加え、実機の操作盤の操作パネルと同一レイアウトに構成されていることにより、操作者に実機と操作訓練装置との間に違和感を覚えさせない。これにより、実機の操作に戸惑いを感じない。
【図面の簡単な説明】
【図１】操作訓練装置の構成を示す概略構成図である。
【図２】操作訓練装置の機能的構成を示すブロック図である。
【図３】訓練用プログラムの一例を示す説明図である。
【図４】操作部の一例を示す説明図である。
【図５】手動パルス発生装置の構成を示す正面図である。
【符号の説明】
１ 操作訓練装置（工作機械の操作訓練装置）
２ 操作盤（操作手段）
３ ＰＬＣ（制御手段）
４ ＣＮＣ装置（制御手段）
６ 仮想モデル
１０ シーケンス制御信号（制御信号）
１１ 動作応答信号
１３ 数値制御信号（制御信号）
２１ 形状定義データ
２２ 連結状態データ
２３ 動作データ
２４ 機械要素情報
２５ ＲＡＭ（記憶手段）
２６ 仮想モデル構築手段
２７ 仮想制御手段
２８ 動作応答手段
２９ 表示制御手段（表示手段）
３０ ＣＲＴ（表示手段）
３３ 回転（画像制御手段）
３４ 拡大縮小（画像制御手段）
３５ 抽出（画像制御手段）
５０ 操作部
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作機械の操作訓練装置に関するものであり、特に、プログラマブル・ロジック・コントローラ（以下、ＰＬＣと称す）及び数値制御装置（以下、ＣＮＣ装置と称す）により制御される工作機械の操作訓練装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、ワークを切削及び研削などの加工を行う際に、互いに直交するＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の移動を数値制御し、ワーク及び加工工具の位置制御を行うＣＮＣ装置と、加工工具の動作などをシーケンス制御するＰＬＣとを有し、複雑な形状の加工を高精度、かつ高能率に処理することのできる工作機械が種々の産業分野において幅広く利用されている。
【０００３】
これらの工作機械は、機械全体の土台となるベッド上に垂直に立設されたコラムと、コラムに接続され加工工具などを回転させる主軸を含んで構成される主軸頭と、主軸頭に対向して設置され工作物（ワーク）を固定し支持するテーブルと、テーブル、コラム、主軸等を直進または回転運動させる駆動機構となどからなる主要構造部品、及び複数の工具の交換を自動的に行うＡＴＣ（自動工具交換装置）と、パレット交換を自動的に行うＡＰＣ（自動パレット交換装置）と、切削時に発生する熱等を除去するクーラント（切削液）を供給するクーラント供給装置と、加工後の切屑を処理する切屑処理装置と、工作機械全体を覆うカバーと、各装置などを駆動させるための電気設備及び油圧／空気圧設備となどからなる周辺装置と、ＣＮＣ装置・ＰＬＣ・操作盤などの制御部（制御系）とから構成されていることが多い。
【０００４】
上述したように、工作機械は複数の機械部品、装置、及び電子機器などが組合わされて構成されたものであり、その内部構造は複雑である。さらに、各装置やワークの動きは、ＣＮＣ装置やＰＬＣの各プログラムによって電気的に制御されている。さらに、主軸が高速で回転することによって加工作業を行うため、作業に危険性が伴う。したがって、プログラムの異常や操作員の人為的ミスによる誤操作などを防止するため、非常停止や異常報知を行うフェイルセーフシステムなどの安全対策が施されている。
【０００５】
したがって、工作機械を操作する操作員は、安全にかつ、安定した加工精度を保ってワークを加工するために、適切な操作方法（手順）に則って操作を行わなければならない。さらに、前述のフェイルセーフシステムなどにより、工作機械が異常を検知し、非常停止した場合、異常状態にある工作機械を正常な状態に戻す復帰操作または対処手順を習得する必要がある。しかしながら、工作機械は、これらの操作手順が各ワーク加工作業毎に複数存在し、一人の操作員が工作機械に関する操作方法を完全にマスターすることは容易ではなかった。
【０００６】
そこで、工作機械のメーカーは、顧客（機械部品加工会社など）に工作機械を納入する際に、工作機械の通常の操作手順やトラブル発生時の復帰・復旧手順について指導及びトレーニングを実施し、工作機械の操作に精通した操作員の養成を行うことがある。これにより、熟達した操作員によって、適切な操作及び保全が行われ、安定した加工精度を維持し、故障発生などの要因を低く抑えて、工作機械を顧客側で運転させることができる。さらに、誤操作による非常停止や異常報知の回数が少なくなり、工作機械に重大なダメージを与える可能性が低くなる。これにより、修理コストの抑制や、生産ラインの遅延による生産性の低下などの問題を回避することができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した工作機械の操作訓練は、以下のような問題があった。すなわち、メーカーによる操作訓練は、一般に顧客への工作機械の納入時に限られていた。そのため、顧客側の都合（例えば、操作員の定年、配置転換などの人事異動）によって、工作機械の操作員が変更した場合、新たに配属された操作員の指導を顧客側で行う必要があった。ところが、既に工作機械は生産ラインなどに組込まれ、稼働した状態にあり、新規の操作員を指導するための十分な時間を確保することができなかった。そのため、工作機械の操作に不安を感じたまま、操作員は実際の加工作業に従事することがあった。工作機械の操作に不慣れなことなどから人為的ミスを誘発しやすく、誤操作を犯しやすかった。さらに、異常発生時の適切な対処手順を誤り、工作機械の運転に支障をきたすダメージを与えてしまうことがあった。
【０００８】
これにより、工作機械の修理に長期間要し、その間のワークなどの加工作業が遅延するなど、生産ラインに乱れを生じさせ、生産計画及び生産効率に大きな影響を及ぼすことがあった。
【０００９】
加えて、上述の工作機械の操作訓練では、実際の工作機械（以下、「実機」と称す）を利用して行っていた。しかしながら、工作機械は一台当たりの価格が高く、操作訓練用に複数台の実機を用意することはコストの点から難しかった。したがって、一回の操作訓練に参加できる訓練参加者の数が必然的に制限され、係る操作訓練を数回に分けて実施する必要があり、その手続きが面倒になったり、訓練参加者の一人当たりの操作訓練時間が限られ、十分な指導が行えないことがあった。
【００１０】
また、訓練に参加する訓練参加者は、当然のことながら実機の操作に不慣れであった。その結果、訓練時の操作を誤り、実機を故障させてしまうことがあった。したがって、修理コストや、その後の訓練スケジュール等を考慮し、通常の操作方法など、比較的故障の可能性の低い操作の訓練に訓練を留めることがあった。
【００１１】
加えて、実機を用いた操作訓練は、加工作業時に実際に想定される異常を故意に再現することが容易ではなかった。そのため、異常発生時からの復帰操作を訓練参加者に実体験として経験させることが難しかった。これにより、工作機械の操作訓練による指導効果を、訓練参加者に十分に享受させることができないことがあった。
【００１２】
さらに、工作機械の操作方法は、加工対象となるワークの形状や加工方法（切削、及び研削など）によっても大きく異なるほか、工作機械の種類によっても大きく異なっていた。また、同様の加工を行う場合でも、納入先の顧客によって操作方法や操作手順、及び操作盤の配置などが異なる場合があった。そのため、一台の操作訓練用の実機で、全ての工作機械に対応することができなかった。
【００１３】
そこで、本発明は、上記実情に鑑み、実機の操作性を損なうことなく工作機械の操作訓練を実施することができ、異常時の復帰動作を行うことのできる工作機械の操作訓練装置を提供することを課題とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明にかかる工作機械の操作訓練装置は、工作機械を操作する実機の一部としての操作盤、前記操作盤の操作に応じ前記工作機械をシーケンス制御する実機の一部としてのプログラマブル・ロジック・コントローラ及び前記工作機械を数値制御する実機の一部としての数値制御装置を含み、前記プログラマブル・ロジック・コントローラ及び前記数値制御装置の少なくともいずれか一方から前記工作機械の動作を制御する制御信号を出力する実機制御部と、仮想モデルによって前記工作機械の動作をシミュレートする訓練用コンピュータとを接続し、前記訓練用コンピュータは、前記工作機械を構成する各部の形状を定義した形状定義データ、前記各部の連結状態を示す連結状態データ、及び前記制御信号に対応する前記各部の動作を示す動作データを含む機械要素情報を記憶する記憶手段と、前記機械要素情報に基づいて前記工作機械の前記仮想モデルを構築する仮想モデル構築手段と、前記制御信号に基づいて前記仮想モデルを制御し、前記工作機械の動作をシミュレートする仮想制御手段と、シミュレートされた前記工作機械の動作に対応する前記動作応答信号を前記実機制御部に出力する動作応答手段と、前記仮想モデルを三次元化して表示する表示手段とを具備し、実機を操作することに代えて前記実機制御部により前記訓練用コンピュータの前記仮想モデルを操作することにより訓練操作を行えるとともに、訓練プログラムの中から選択された前記工作機械の操作時に想定される異常やトラブルのイベントを故意に前記仮想モデルに発生させ、前記実機制御部を操作することにより、その復帰操作の訓練を行えるようにしたものである。
【００１５】
ここで、操作盤とは、工作機械を操作し、工作機械の各部の動作を指示し、命令するためのものである。例えば、工作機械を操作するための命令、設定した数値、及び実行プログラムなどを入力する機能キー、数字キー（テンキー）、及び文字キーなどの操作キー、及び運転モード（オート／マニュアル）の切替スイッチを含む操作部、設定した数値や選択したプログラムの内容、及び現在の工作機械の稼働状況（異常発生の有無）などを画面やランプで表示する状況表示部、及び異常時に手動によってパルスを発生させ、各軸を原位置に復帰させるためなどに使用する手動パルス発生装置などの機器から構成されたものが挙げられる。また、これらの操作盤の操作部をコンピュータ画面上に新たに作成し、マウスなどの入力デバイスの操作によって、ソフトウェアによって工作機械を操作するものであってもよい。
【００１６】
また、実機制御部とは、予めＰＬＣの内部に記憶されたシーケンスプログラムに則って工作機械の各部の動作をシーケンス制御よって操作したり、ＣＮＣ装置の内部に格納されている数値制御信号に基づいて各軸の位置制御を可能としている。加えて、制御信号によって制御された仮想モデルに応答して出力された工作機械の動作に基づく動作応答信号（フィードバック信号に相当）をＰＬＣに返している。これにより、ＰＬＣ及びＣＮＣ装置は、工作機械の動作の各ステップ毎に動作応答信号を認識し、動作応答信号に対応したシーケンス制御及び数値制御が行える。なお、ＰＬＣおよびＣＮＣ装置は、実機の一部として利用されるハードウェア機器が利用されている。そのため実機と同様に各種信号の送受が行える。
【００１７】
加えて、機械要素情報とは、コンピュータ内の仮想空間に工作機械の仮想モデルを構築するための種々のデータが記憶されたものである。具体的には、工作機械を構成するシリンダ、バルブ、テーブル、サーボモータ、及びＮＣ軸の各部について形状やサイズなどが定義された形状定義データと、各部の連結または接続状態を定義し、互いの位置関係や各部の従属関係を示す連結状態データと、各部の動作に関する動作モード（直進、及び回転動作など）、動作内容（基準位置、動作限界範囲、移動量、動作速度、加速度、回転数）、及びシーケンス制御に基づく動作順序などを定義した動作データを含んで構成されている。
【００１８】
さらに、表示手段とは、構築した仮想モデルを三次元化して表示し、立体として認識することが可能なものである。
【００１９】
したがって、請求項１の発明の工作機械の操作訓練装置によれば、機械要素情報に基づいて工作機械の仮想モデルが構築され、三次元化して表示される。そして、操作盤及び実機制御部から出力された信号に応じて、仮想モデルが制御され、工作機械の動作がシミュレートされるようになる。さらに、仮想モデルの制御に伴って工作機械の動作に対応する動作応答信号が実機制御部に送出される。これにより、仮想モデルは、実機の一部が利用されるＰＬＣ及びＣＮＣ装置に対して実機のように振る舞うことが可能となる。換言すれば、ＰＬＣ及びＣＮＣ装置が、機械要素情報によって構築された仮想モデルを実機として認識した状態になる。さらに、表示された仮想モデルを視覚的に確認しながら、操作盤によって工作機械を実機と同様の感覚で操作することが可能となり、工作機械の操作訓練を行うことが可能となる。
【００２１】
また、操作盤が実機の工作機械の操作部と同一レイアウトに構成されている。そのため、実機と操作訓練装置との間の操作性に違和感がなくなる。これにより、操作訓練装置と実機との操作に戸惑いなどを感じることがない。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態である工作機械の操作訓練装置（以下、「操作訓練装置１」と称す）について、図１乃至図５に基づいて説明する。図１は本発明の操作訓練装置１の構成を示す概略構成図であり、図２は本実施形態の操作訓練装置１の機能的構成を示すブロック図であり、図３は訓練用プログラムの一例を示す説明図であり、図４は操作部の一例を示す説明図であり、図５は手動パルス発生装置の構成を示す正面図である。ここで、工作機械として本実施形態では、研削盤、特に円筒研削盤について例示する。
【００２９】
本実施形態の操作訓練装置１は、図１及び図２に示すように、工作機械を操作する操作盤２、工作機械をシーケンス制御するＰＬＣ３、及び工作機械を数値制御するＣＮＣ装置４から構成され、それぞれ実機の一部として利用されている実機制御部５と、実機制御部５と各種の信号を送受し、構築した仮想モデル６によって工作機械の動作をシミュレートする訓練用コンピュータ７とから構成されている。
【００３０】
操作盤２は、工作機械を操作し、制御するための命令や、設定した数値、及び実行プログラムなどを入力する操作キー部、及び工作機械の動作状況を表示する状況表示部などから構成される操作部と、マニュアルモードの際に手動でパルスを発生させ、各軸を原点位置まで復帰させるための手動パルス発生装置と、操作部及び手動パルス発生装置からの操作によって工作機械を動作させる操作信号８を送出するための操作基板（図示しない）とから構成されている。なお、操作部及び手動パルス発生装置については、後述するため、ここでは詳細な説明を省略する。
【００３１】
ＰＬＣ３は、操作盤２からの操作信号８などに基づいて、予めプログラムされたシーケンスプログラム９に従って、工作機械の各部の動作をシーケンス制御するシーケンス制御信号１０を訓練用コンピュータ７に送出している。さらに、ＰＬＣ３は、訓練用コンピュータ７から送出された動作応答信号１１を受け、動作応答信号１１に応じてシーケンスの次ステップの制御を行っている。
【００３２】
一方、ＣＮＣ装置４は、操作盤２からの操作信号などに基づいて、予めプログラムされた数値制御プログラム１２に従って、工作機械の各軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ軸）の移動量を数値制御する数値制御信号１３を訓練用コンピュータ７に送出している。ここで、操作盤２が本発明の操作手段に相当し、ＰＬＣ３及びＣＮＣ装置４が本発明の制御手段に相当する。
【００３３】
さらに、訓練用コンピュータは、図２に示すように、その機能的構成として、操作盤２、ＰＬＣ３、及びＣＮＣ装置４と接続し、各種信号８，１０，１１，１３の送受を行うＩＦ（インターフェイス）２０と、工作機械を構成する各部の形状及びサイズなどを定義した形状定義データ２１、各部の連結及び接続状態を示す連結状態データ２２、及び各部の動作内容等を定義した動作データ２３を含む機械要素情報２４を記憶するＲＡＭ２５と、記憶した機械要素情報２４に基づいて工作機械の仮想モデル６を構築する仮想モデル構築手段２６と、仮想モデル６を制御信号１０，１３に基づいて制御し、工作機械の動作をシミュレートする仮想制御手段２７と、制御された仮想モデル６に基づいて工作機械の動作に対応する動作応答信号１１を出力する動作応答手段２８と、仮想モデル６を三次元化して表示する表示制御手段２９及びＣＲＴ３０と、ＩＦ２０を介して送受される種々の信号８，１０，１３，１１の入出力を制御するＩ／Ｏ制御手段３１とから主に構成されている。なお、仮想モデル構築手段２６、仮想制御手段２７、動作応答手段２８、及びＩ／Ｏ制御手段３１は、工作機械の動作を制御するための演算処理を行うＣＰＵ３２の機能の一部を利用している。
【００３４】
さらに、表示制御手段２９は、ＣＲＴ３０に表示する仮想モデル６を回転させる回転３３、仮想モデル６のサイズを変更する拡大縮小３４、工作機械の各部を抽出して表示する抽出３５の画像処理が可能である。加えて、訓練用コンピュータ７の基本的操作を可能とするオペレーティングシステムを記憶したＲＯＭ３６や、訓練コンピュータ７を操作するためのキーボード３７及びマウス３８などの周知の要素及び機器を備えている。なお、ＲＯＭ３６には、工作機械の異常動作を故意に発生させ、操作訓練を行うための複数の訓練用プログラム３９が格納されている。ここで、ＲＡＭ２５が本発明における記憶手段に相当し、表示制御手段２９及びＣＲＴ３０が本発明における表示手段に相当し、表示制御手段２９に含まれる各種の画像処理３３，３４，３５が本発明における画像制御手段に相当する。
【００３５】
ここで、訓練用コンピュータ７は、図１に示すように、周知のパーソナルコンピュータなどのハードウェアが利用可能であり、さらにＲＡＭ２５の他に、ハードディスクなどの固定記憶媒体や、フレキシブルディスクやコンパクトディスクなどの持運び容易な記憶媒体、及び係る記憶媒体の読み込み等が可能な駆動装置などを記憶手段として備えていてもよい。
【００３６】
次に、ＲＯＭ３６に記憶された訓練用プログラム３９について、図３に基づいて説明する。訓練用プログラム３９は、工作機械の操作訓練を実施する際に、工作機械に想定される複数の異常内容（＝イベント）をイベント情報４０としてＲＯＭ３６に記憶している。具体的には、図３に示すように、それぞれのイベント名４１、イベントの発生に必要とされる工作機械を構成する各部名称、イベントの発生条件４３、イベント発生時の挙動４４などが定義されている。なお、これらのイベント情報４０は、ＲＡＭ２５に記憶された機械要素情報２４の各データ２１，２２，２３と関連づけられて記憶されている。これにより、訓練用プログラム３９に基づいて仮想モデル６に工作機械の異常を再現させることができる。
【００３７】
次に、本実施形態の操作訓練装置１における操作盤２の操作部５０の一例について図４に基づいて説明する。操作部５０は、図４に示すように、液晶画面によって構成され、画面上に指などが接触することを検知し、個々に対応する操作信号８などを送出可能な、いわゆるタッチパネルのものである。さらに、各画面の表示の色や、点灯・点滅状態によって工作機械の状況を把握することができる。
【００３８】
具体的に説明すると、図４における上から三段目までは、主に工作機械の動作状況を表示する状況表示部５１に相当している。例えば、「といし軸回転中」５１ａ（図４右上）が点灯している場合には、動作応答信号１１によって工作機械の仮想モデル６が、といし軸が回転し、研削加工の動作をシミュレートしていることを示している。さらに、図４の中段にレイアウトされた個々に番号が１〜１１まで付された各操作ボタン５２（例えば、「１．とびら寸行閉じ」など）は、それぞれが工作機械を操作するための操作キーに相当し、同時にワークの加工状態（加工ステップ）が、どの段階まで進んでいるか点灯状態で表示するものである。さらに、個々の操作ボタン５２を押すことによって、各ステップの操作を独立して操作することを可能にする。また、図４の下段の「第１画面」、「第３画面」、及び「第４画面」の画面切替ボタン５３を触れることにより、画面の切替が可能となり、別の設定や操作などを行うことできる。また、図４右下の「異常リセット」ボタン５４により、工作機械が異常により緊急停止した場合に、各設定パラメータを初期値に戻すことができ、「閉じる」ボタン５５により、画面表示をさらに上層の表示（例えば、設定数値の入力画面など）に切替ることができる。
【００３９】
上述の操作部５０からの入力操作によって、操作信号８が出力され、ＰＬＣ３及びＣＮＣ装置４から各制御信号１０，１３が送られて仮想モデル６が制御される。また、仮想モデル６の制御に対応した工作機械の動作を示す動作応答信号１１がＰＬＣ３を介して操作盤２に伝えられ、状況表示部５１に表示される。ここで、操作部５０は、実機の操作盤２に利用されるものと同一の機器である。そのため、仮想モデル６を用いた操作訓練の際に、操作者に実機と同じ操作性、操作感覚を感受させることができる。これにより、実機と操作訓練装置１との間で違和感を覚えることがない。
【００４０】
上記の構成により、実機と同一の機器が利用された操作盤２、ＰＬＣ３、及びＣＮＣ装置４からなる実機制御部５から、実機を操作し、制御するためと同一の信号８，１０，１３が出力される。一方、訓練用コンピュータ７は、ＲＡＭ２５に記憶された機械要素情報２４を構成する形状定義データ２１、連結状態データ２２、及び動作データ２３に基づいて工作機械の動作をシミュレートする仮想モデル６を構築する。そして、制御信号１０，１３を、ＩＦ２０を介し、Ｉ／Ｏ制御手段３１によって受けた訓練用コンピュータ７は、構築した仮想モデル６を制御信号１０，１３によって仮想的に動作させる。
【００４１】
例えば、ＣＮＣ装置４から実機のＸ軸を移動させる数値制御信号１３が送出された場合、構築した仮想モデル６の仮想Ｘ軸（図示しない）を数値制御信号１３によって移動させる指示が仮想制御手段２７から発せられる。すると、数値制御信号１３に応じて仮想モデル６の仮想Ｘ軸が移動する。このとき、仮想Ｘ軸の移動に応じてＲＡＭ２５の機械要素情報２４の連結状態データ２２及び動作データ２３が更新され、新たな状態を示すものに書換えられる。一方、仮想Ｘ軸の移動が完了する仮想モデル６の仮想リミットスイッチがＯＮとなり、動作応答手段３８から動作応答信号１１が実機制御部５のＰＬＣ３に送出される。これにより、ＰＬＣ３は、次のシーケンス制御（例えば、Ｙ軸の移動など）を行うためのシーケンス制御信号９を送出する。
【００４２】
すなわち、本実施形態の操作訓練装置１によれば、実機制御部５から送出された実機と同一の信号１０，１３に応じて仮想モデル６の動きを制御し、実機によって送られる同一の動作応答信号１１が実機制御部５に送り返される。これにより、実機制御部５に対して、訓練用コンピュータ７内で仮想的に構築された仮想モデル６は、実機と同様に振る舞うことができる。すなわち、実機制御部５は、仮想モデル６を実機として認識した状況が創生される。
【００４３】
これにより、実機制御部５の操作盤２の操作部５０から工作機械の操作を行う操作者は、実機と同様の操作性及び操作感覚で、仮想モデル６を制御し、工作機械の動作をシミュレートすることができる。これにより、仮想モデル６を利用した工作機械の操作訓練を行うことができる。
【００４４】
さらに、本実施形態の操作訓練装置１は、構築された仮想モデル６を三次元化して表示することができる。すなわち、仮想モデル６を立体的に確認することができる。これにより、工作機械の動作をシミュレートする操作者は、工作機械のイメージを視覚的に認識することができる。また、実機の動作内容の把握がさらに容易となる。加えて、表示制御手段２９の各種の画像処理（回転３３、拡大縮小３４、及び抽出３５）によって、上述した立体的な認識がより簡便になる。通常の実機を用いた操作訓練では、カバーなどに覆われて、加工工具の動きなどを肉眼で確認することができなかった。しかしながら、本実施形態の操作訓練装置１によれば、例えば、カバーなどの不要な部分を除き、必要な各部のみを抽出して表示することができる。これにより、実際には、見ることのできない各部の動きを、視覚を通じて認識できる。
【００４５】
さらに、本実施形態の操作訓練装置１は、ＲＯＭ３６に記憶された訓練用プログラム３９を利用して、工作機械の操作時に想定される異常やトラブルなどを故意に仮想モデル６に発生させることができる。
【００４６】
例えば、訓練用プログラム３９の中から、「気圧異常」のイベントが選択された場合、訓練用コンピュータ７は、仮想モデル６をイベント情報４０ａに基づいて実機が気圧異常によって運転を停止した状態に再現する。このとき、訓練コンピュータ７からＰＬＣ３を通じて操作部５０の気圧異常表示部５１ｂ（図４左上）を赤色で点滅させる実機と同様の動作応答信号１１が送られる。これにより、工作機械に気圧異常が発生したことを点滅によって操作者に報知する。なお、この異常報知は、ＣＲＴ３０に文字情報などによって表示することもできる。
【００４７】
この場合、訓練参加者は、気圧が正常値にあることを確認した後、操作部５０の「運転準備ボタン」（図示しない）をＯＮにする。これにより、操作盤２から操作信号８が送出され、仮想制御手段２７によって仮想モデル６を異常状態から正常な状態に戻される。すると、動作応答信号１１が再び実機制御部５に送出され、操作部５０の気圧表示部５１ｂが消灯する。これにより、気圧異常に係る適切な操作がなされ、操作訓練が完了したことになる。
【００４８】
次に、訓練用プログラム３９から「ＮＣ異常」のイベントが選択された場合を想定して、実機による操作訓練と、本発明の操作訓練装置１との違いについて述べる。ここで、仮想モデル６はイベント情報４０ｂに従ってＮＣ異常によって運転を停止した状態が再現されている。このとき、同様に動作応答信号１１が実機制御部５に送られ、操作部５０に表示された状態にある。
【００４９】
工作機械に異常が発生した場合、その復帰操作は、上述の「気圧異常」のように簡単な操作で復帰する場合もあるが、異常原因に種々のバリエーションが存在する。そこで、工作機械の操作訓練を行う際には、個々の異常原因に対応させた復帰操作が必要とされる。例えば、「ＮＣ異常」の場合、一般に自動モードの状態で「戻しボタン」を押し、ＮＣ軸の戻しプログラムを起動することによって原点に復帰させることが最初に行われる。しかしながら、この操作で原点に復帰しないことがある。
【００５０】
この場合、運転モードを自動モードから手動モードに切替え、図５に示すような、手動パルス発生装置６０を利用してマニュアルでＮＣ軸を原点に復帰させる操作を行うことがある。手動パルス発生装置６０は、操作盤２の操作部５０の近傍に設けられ、中央のハンドル部６１を回転させることにより、パルスを発生させ、工作機械の各ＮＣ軸の移動を可能とするものである。ここで、各ＮＣ軸の送り量はハンドル部６１の回転数と、送り量選択スイッチ６３とによって決定されている。このとき、”×１”を送り量選択スイッチ６３で選択したつもりで誤って、”×１０”を選択してしまった場合、送り量が１０倍になるため、操作員の想定する以上の量を選択軸が移動することになる。そのため、ＮＣ軸がずれたり、加工工具を破損するなどの故障の原因となる。すなわち、移動するＮＣ軸を選択する軸選択スイッチ６２、及びハンドル送り量を選択する送り量選択スイッチ６３を適切に設定しないと、工作機械のＮＣ軸や加工工具を破損する恐れがある（実機の場合）。
【００５１】
しかしながら、本発明の操作訓練装置１によれば、手動パルス発生装置６０のハンドル部６１の回転によって発生したパルスが操作信号８として訓練用コンピュータ７に送られる。そして、仮想モデル６の仮想ＮＣ軸（図示しない）が操作信号８に基づいて移動する。このとき、送り量選択スイッチ６３の選択を誤って選択したとしても、制御された仮想モデル６によって送出される動作応答信号１１により、仮想ＮＣ軸が、例えば加工対象の仮想ワークに衝突した状況が再現されるだけで、実機の場合のような工作機械に重大な損傷を与えることがない。
【００５２】
そのため、操作訓練の際に誤操作によって実機にダメージを与える問題が回避される。さらに、敢えて、上述の誤った操作を体験させることにより、工作機械がどのようなダメージを被るのかを認識することができるため、操作訓練による効果がさらに高くなる。
【００５３】
以上、本発明について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、以下に示すように、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計の変更が可能である。
【００５４】
すなわち、本実施形態の操作訓練装置１では、操作盤２として実機の一部を利用するものを示したが、操作部５０を画面上にソフトウェア的に再現したものであってもよい。この場合、実機と同一のレイアウトに構成することにより、操作性を同じにすることができる。
【００５５】
さらに、本実施形態の操作訓練装置１は、実機制御部５を他機種の工作機械のものに置換することができる。これにより、操作手順などの異なる工作機械の操作訓練を実機制御部５の部分を変更するだけで実施することができる。これにより、個々の機械に対して操作訓練用の実機を用意する必要がなくなり、操作訓練に係るコストを大幅に削減することができる。
【００５６】
加えて、操作訓練装置１を利用することにより、メーカーは工作機械の電気回路や加工用のＮＣプログラムのデバッグ作業を省力化することができる。すなわち、工作機械の試作時において、異常運転や想定外操作などに関するデバック作業は、安全性の問題から従来は多大な時間と労力をかけていた。しかしながら、本実施形態で示した仮想モデル６を利用することにより、異常テストなどをコンピュータ上で仮想的に実行することができる。そのため、工作機械のリードタイムの短縮につなげられ、開発コストの抑制が可能となる。
【００５７】
【発明の効果】
以上のように、請求項１の発明の工作機械の操作訓練装置は、構築された仮想モデルを実機の一部を構成する実機制御部によって操作及び制御することにより、実機を用いた場合と同レベルの操作訓練を実施することができる。さらに、操作訓練用の実機を用意する必要がないため、操作訓練に係るコストを大幅に抑えることができる。また、操作者の誤操作などによって故障が発生することがない。加えて、異常発生の状態を容易に再現することが可能となり、復帰操作を実際に体験させることができる。
【００５８】
請求項２の発明の工作機械の操作訓練装置は、請求項１の発明の工作機械の操作訓練装置の効果に加え、実機の操作盤の操作パネルと同一レイアウトに構成されていることにより、操作者に実機と操作訓練装置との間に違和感を覚えさせない。これにより、実機の操作に戸惑いを感じない。
【図面の簡単な説明】
【図１】操作訓練装置の構成を示す概略構成図である。
【図２】操作訓練装置の機能的構成を示すブロック図である。
【図３】訓練用プログラムの一例を示す説明図である。
【図４】操作部の一例を示す説明図である。
【図５】手動パルス発生装置の構成を示す正面図である。
【符号の説明】
１ 操作訓練装置（工作機械の操作訓練装置）
２ 操作盤（操作手段）
３ ＰＬＣ（制御手段）
４ ＣＮＣ装置（制御手段）
６ 仮想モデル
１０ シーケンス制御信号（制御信号）
１１ 動作応答信号
１３ 数値制御信号（制御信号）
２１ 形状定義データ
２２ 連結状態データ
２３ 動作データ
２４ 機械要素情報
２５ ＲＡＭ（記憶手段）
２６ 仮想モデル構築手段
２７ 仮想制御手段
２８ 動作応答手段
２９ 表示制御手段（表示手段）
３０ ＣＲＴ（表示手段）
３３ 回転（画像制御手段）
３４ 拡大縮小（画像制御手段）
３５ 抽出（画像制御手段）
５０ 操作部
Claims (1)
- 工作機械を操作する実機の一部としての操作盤、前記操作盤の操作に応じ前記工作機械をシーケンス制御する実機の一部としてのプログラマブル・ロジック・コントローラ及び前記工作機械を数値制御する実機の一部としての数値制御装置を含み、前記プログラマブル・ロジック・コントローラ及び前記数値制御装置の少なくともいずれか一方から前記工作機械の動作を制御する制御信号を出力する実機制御部と、
仮想モデルによって前記工作機械の動作をシミュレートする訓練用コンピュータと
を接続し、
前記訓練用コンピュータは、
前記工作機械を構成する各部の形状を定義した形状定義データ、前記各部の連結状態を示す連結状態データ、及び前記制御信号に対応する前記各部の動作を示す動作データを含む機械要素情報を記憶する記憶手段と、
前記機械要素情報に基づいて前記工作機械の前記仮想モデルを構築する仮想モデル構築手段と、
前記制御信号に基づいて前記仮想モデルを制御し、前記工作機械の動作をシミュレートする仮想制御手段と、
シミュレートされた前記工作機械の動作に対応する前記動作応答信号を前記実機制御部に出力する動作応答手段と、
前記仮想モデルを三次元化して表示する表示手段と
を具備し、
実機を操作することに代えて前記実機制御部により前記訓練用コンピュータの前記仮想モデルを操作することにより訓練操作を行えるとともに、訓練プログラムの中から選択された前記工作機械の操作時に想定される異常やトラブルのイベントを故意に前記仮想モデルに発生させ、前記実機制御部を操作することにより、その復帰操作の訓練を行えるようにしたことを特徴とする記載の工作機械の操作訓練装置。
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