JP4261588B2 - 制御装置 - Google Patents

Description

本発明は制御装置に関する。特に、本発明は、工作機械の主軸が他の物体に衝突したのを判定する衝突判定機能を備えた数値制御装置に関する。

工作機械の主軸やロボットのアームなどでは、プログラムミスやオペレータの操作ミスなどによって、主軸などが他の物体と想定外に衝突することがある。このような衝突が起こると、主軸やロボットアームなどにおいて主軸やロボットアームの構造自体やそれを駆動するためのモータに故障が発生する。こうした故障は加工精度や動作精度などに影響を与えるので、衝突が発生したときには工作機械やロボットの動作を停止させ、点検することが望ましい。

このため、工作機械の主軸などでは故障が発生したときに主軸やそれを駆動するモータに異常振動が発生することに基づいて、特許文献１においては、主軸に設けられた位置検出器によって主軸の異常振動を検知することが行われている。また、特許文献２においては、工作機械の主軸などに取付けられた振動センサからの出力信号の最大値が閾値を超えた場合に衝突が生じたと判定している。
特開平２−１７９４７９号公報 特開２００６−１３８７５６号公報

特許文献１および特許文献２においては、工作機械用の制御装置と連動することなしに、衝突を検出することができる。言い換えれば、特許文献１および特許文献２においては、衝突が発生したときにおける振動センサの出力信号と工作機械の運転情報、例えば運転プログラムとが関連づけられているわけではない。

しかしながら、工作機械が自動運転されている場合には、衝突時の具体的な状況が分からないので衝突の原因を解明するのは困難である。また、工作機械が操作者により操作される場合であっても、操作者が衝突が発生したことを申告しなければ、衝突時の具体的な状況は分からず、衝突の原因を解明するのは同様に難しい。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、工作機械において衝突が発生したときの具体的な状況を把握して衝突の原因を迅速に解明することのできる制御装置を提供することを目的とする。

前述した目的を達成するために１番目の発明によれば、工作機械の主軸部または該主軸部に対して相対的に移動する移動体に取付けられた少なくとも１つの振動検出手段と、該振動検出手段により検出された振動信号を前記工作機械の運転情報に関連づけて記憶する記憶手段と、該記憶手段に記憶された前記振動信号と予め設定された閾値とを比較して、前記振動信号が前記閾値を超える場合には衝突が発生したと判定する衝突判定手段と、該衝突判定部により衝突が発生したと判定された場合には、前記衝突が発生したと判定されたときの前記振動信号と該振動信号に関連づけられた前記記憶手段内の前記運転情報とを外部に出力する出力手段とを具備する制御装置が提供される。

すなわち１番目の発明においては、主軸部などの振動信号と工作機械の運転情報とを関連づけて記憶しているので、衝突時における振動信号と運転情報とを一緒に出力することができる。従って、衝突時における工作機械の出力軸などの具体的な状況が分かり、それにより、衝突の原因を迅速に解明することができる。

２番目の発明によれば、１番目の発明において、さらに、前記工作機械の前記主軸部または該主軸部に対して相対的に移動する前記移動体の位置および速度のうちの少なくとも一方を検出する位置・速度検出手段を具備し、前記衝突が発生したと判定されたときには、前記記憶手段は前記位置・速度検出手段により検出された位置情報および速度情報のうちの少なくとも一方を記憶すると共に、前記出力手段は前記位置情報および速度情報のうちの少なくとも一方を前記振動信号および前記運転情報と共に出力する。
すなわち２番目の発明においては、衝突時における主軸部または移動体の位置情報および／または速度情報も得ることができ、それにより、衝突の原因をより正確に解明できる。

３番目の発明によれば、１番目の発明において、さらに、前記制御装置は日付時刻情報を計時する機能を有しており、前記衝突が発生したと判定されたときには、前記記憶手段は前記衝突が発生したと判定されたときの日付時刻情報を記憶すると共に、前記出力手段は前記日付時刻情報を前記振動信号および前記運転情報と共に出力する。
すなわち３番目の発明においては、衝突が発生した日付および時刻を把握し、それにより、衝突の原因をより正確に解明できる。

４番目の発明によれば、１番目の発明において、前記工作機械の前記主軸部または該主軸部に対して相対的に移動する前記移動体は互いに直交する三軸移動方向に移動可能であり、少なくとも三つの振動検出手段が前記三軸移動方向におけるそれぞれの振動を検出できるようになっており、前記主軸部または該主軸部に対して相対的に移動する前記移動体が前記三軸移動方向のうちの一つまたは二つの移動方向に移動する際には、前記衝突判定手段は、前記一つまたは二つの移動方向において一つまたは二つの前記振動検出手段により検出された振動信号と残りの移動方向において残りの前記振動検出手段により検出された振動信号との間の差分が予め設定された他の閾値を超える場合に衝突が発生したと判定するようにした。
すなわち４番目の発明においては、主軸部などの実際の移動方向は運転情報から分かるので、例えば外乱が生じている場合であっても、それに影響されることなしに衝突判定を行うことができる。

５番目の発明によれば、１番目の発明において、さらに、前記閾値を調節するのに用いられる入力部を具備する。
すなわち５番目の発明においては、工作機械の運転情報または工作機械により加工されるワークピースの種類などに応じて最適な閾値を設定することができる。

６番目の発明によれば、１番目の発明において、前記運転情報は、前記工作機械の自動運転プログラムにおける前記主軸部または前記移動体の移動に関する情報である。
すなわち６番目の発明においては、工作機械の運転情報を比較的容易に得ることができる。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の図面において同様の部材には同様の参照符号が付けられている。理解を容易にするために、これら図面は縮尺を適宜変更している。
図１は本発明に基づく制御装置の構成図である。図１に示される制御装置、例えば数値制御装置１０には、工作機械の主軸３０またはロボットのアームなどに接続されている。数値制御装置１０は工作機械の主軸に対して相対的に移動する移動体、例えばワークピースを保持するテーブル（図示しない）に接続されていてもよい。以下で使用される表現「主軸３０など」は、数値制御装置１０が主軸３０に接続されている場合および数値制御装置１０が移動体に接続されている場合の両方を意味するものとする。

数値制御装置１０はデジタルコンピュータで構成されており、図１に示されるように、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を含む記憶部１１と、プロセッサでありうる衝突判定部１２と、ディスプレイ、プリンタまたはメモリカードスロット等の電子データ取出部でありうる出力部１３と、キーボードまたはマウスなどでありうる入力部１４とを含んでいる。図示されるように、これら記憶部１１、衝突判定部１２、出力部１３および入力部１４は双方向性バスで互いに接続されている。

図１から分かるように、数値制御装置１０の動作時には、工作機械の後述する運転情報Ａ、主軸などの位置情報Ｂおよび速度情報Ｃも記憶部１１に記憶される。また、数値制御装置１０は日付および時刻を計時する機能を有しており、要求される場合には日付時刻情報Ｔを記憶部１１に記憶する。これにより、衝突が何時に発生したかを知ることができ、衝突原因の分析に役立てることが可能となる。

なお、図１には示さないものの、工作機械の運転プログラム、後述する衝突判定プログラム、および衝突判定プログラムにて使用される閾値Ｌ１、Ｌ２も記憶部１１に記憶されている。これら閾値Ｌ１、Ｌ２は、数値制御装置１０の入力部１４を用いて操作者により適宜調節できる。従って、工作機械の運転情報または工作機械により加工されるワークピースの種類などに応じて最適な閾値Ｌ１、Ｌ２を設定でき、後述する衝突判定を高精度で行うことが可能となる。

工作機械の主軸３０などには、少なくとも一つの振動検出部３１〜３３が取付けられている。図示される例においては、三つの振動検出部３１〜３３が、互いに直交する三軸移動方向における振動を検出可能なように主軸３０などに取付けられている。これら振動検出部３１〜３３のそれぞれは、取付けられた対象物の振動を電圧に変換した後でその電圧をデジタル信号に変換して出力するようになっている。そのような振動検出部として、例えば振動ピックアップを採用できる。これらは周知であるので、詳細な説明を省略する。図１から分かるように、これら振動検出部３１〜３３は数値制御装置１０の記憶部１１に接続されている。

さらに、図示されるように、主軸３０などには、主軸３０または関連する移動体の位置および速度を検出する位置・速度検出部４１が設けられている。この位置・速度検出部４１は数値制御装置１０の記憶部１１に同様に接続されている。位置・速度検出部４１により検出された主軸などの位置および速度は位置情報Ｂおよび速度情報Ｃとして記憶部１１に記憶される。

図２は図１に示される制御装置の記憶部に記憶される情報を示す図である。以下、図１および図２を参照しつつ、本発明に基づく数値制御装置１０の記憶部１１への記憶動作について説明する。はじめに、工作機械の設定およびワークピースのテーブルへの保持が完了した後で、選択された運転プログラムに基づいて、工作機械が動作開始される。

工作機械の動作時においては、図２に示されるように振動検出部３１〜３３のそれぞれからの振動信号Ｘ１〜Ｘ３が記憶部１１に記憶される。前述したように数値制御装置１０は日付および時刻を計時する機能を有しているので、所定時間毎の振動信号Ｘ１〜Ｘ３が、振動検出部３１〜３３に検出されたときの日付時刻情報Ｔと対応されてマップの形で順次記憶される。

ところで、工作機械の動作プログラムがスタートした日付時刻情報Ｔ０は数値制御装置１０の計時機能から分かる。従って、動作プログラム開始後の時刻Ｔ−Ｔ０における主軸３０などの移動に関する情報は動作プログラムの内容から把握できる。具体的には、主軸３０などの動作プログラムにおける位置、速度および方向である。そのような情報は運転情報Ａとして日付時刻情報Ｔと対応されてマップの形で同様に順次記憶される。

或る物体が他の物体に衝突する際に発生する振動波形の立ち上がりは一般的に急峻であるので、記憶部１１に順次記憶させるための時間間隔は、可能な限り小さいのが好ましい。また、近年では工作機械の高速化が著しいので、工作機械の運転情報を詳細に記憶するためにも、記憶させる時間間隔は極力小さい方が好ましい。

一方、時間間隔が比較的短い場合には記憶部１１の記憶容量が増大する。このため、振動信号Ｘ１〜Ｘ３および運転情報Ａなどを記憶する時間は、運転プログラムが開始してからの一つまたは複数の所定の時間帯のみにするのが好ましい。

なお、図示されるように位置・速度検出部４１により検出される主軸３０などの実際の位置情報Ｂおよび速度情報Ｃを日付時刻情報Ｔに対応させて同様に順次記憶するのが有利である。これにより、衝突が発生したと判断される瞬間の主軸３０などの位置や速度情報を得ることができ、衝突の原因をより正確に解明するのが可能となる。工作機械を手動で操作する場合には、運転プログラムは存在しないので運転情報Ａは得られない。そのような場合には、主軸３０などの実際の位置情報Ｂおよび速度情報Ｃを記憶させることは特に有利である。

ところで、本発明においては主軸３０などが他の物体に衝突したか否かの判定は数値制御装置１０の衝突判定部１２によって行う。図３は本発明に基づく制御装置の衝突判定部における衝突判定する際の第一のフローチャートである。図３に示される衝突判定プログラムのステップ１０１においては、或る日付時刻情報Ｔにおいて記憶部１１に記憶された振動信号Ｘ、つまり振動信号Ｘ１〜Ｘ３のうちのいずれかを取得する。

次いで、ステップ１０２において、この振動信号Ｘを所定の閾値Ｌ１と比較する。振動信号Ｘが閾値Ｌ１よりも大きい場合にはステップ１０４に進んで、衝突が発生したものと判定する。一方、振動信号Ｘが閾値Ｌ１よりも大きくない場合には衝突は発生していないものと判定される（ステップ１０３）。

衝突判定された場合には、衝突判定された振動信号Ｘと、この振動信号Ｘに対応する日付時刻情報Ｔと運転情報Ａとが出力部１３を通じて出力される。つまり、これら情報はディスプレイとしての出力部１３に表示されるか、またはプリンタとしての出力部１３により印刷される。あるいは、メモリカードスロット等の電子データ取出部としての出力部１３により外部へ取出される。

このように、本発明においては、主軸３０などの振動信号Ｘと工作機械の運転情報Ａなどとを関連づけて記憶しているので、衝突時における振動信号Ｘと運転情報Ａとを対応させて一緒に出力することができる。このため、操作者は、衝突時における工作機械の出力軸などの具体的な状況を出力内容から把握し、それにより、衝突の原因を迅速に解明することが可能となる。

さらに、本発明においては、工作機械の主軸３０などと数値制御装置１０とが接続されているので、図４に示されるような他の手法により衝突判定することも可能である。すなわち、図４に示される衝突判定プログラム１１０のステップ１１１においては、或る日付時刻情報Ｔにおける主軸３０などの移動方向を取得する。

前述したように或る日付時刻情報Ｔに対応する運転情報Ａが記憶部１１に記憶されているので、衝突判定部１２はこの運転情報Ａに基づいて主軸３０などがどの方向に移動しているかを取得する。ここでは、振動検出部３１が振動を検出できる方向が、主軸３０などの移動方向であるものとする。

次いで、ステップ１１２において、この移動方向に対応した振動検出部３１の振動信号Ｘ１を取得する。さらに、ステップ１１３においては、前述した移動方向に対応していない振動検出部、例えば振動検出部３２の振動信号Ｘ２を取得する。そして、これら振動信号Ｘ１、Ｘ２の間の偏差の絶対値｜ΔＸ｜を算出した後で（ステップ１１４）、この偏差｜ΔＸ｜が所定の閾値Ｌ２よりも大きいか否かを判定する（ステップ１１５）。

偏差｜ΔＸ｜が閾値Ｌ２よりも大きい場合にはステップ１１７に進んで、衝突が発生したものと判定する。一方、偏差｜ΔＸ｜が閾値Ｌ２よりも大きくない場合には衝突は発生していないものと判定される（ステップ１１６）。その後、前述したのと同様に、衝突判定された振動信号Ｘと運転情報Ａと日付時刻情報Ｔとが対応して出力される。

このようにして衝突判定を行う場合であっても、前述したのと同様な効果が得られるのは明らかであろう。さらに、図４に示される実施形態においては、運転情報Ａに基づいて主軸３０などの移動方向を判断しているので、例えば外乱が生じている場合であっても、運転情報Ａに基づいて予測された衝突が起こりうる方向において衝突判定することができる。従って、本発明においては、外乱に影響されることなしに移動方向を決定でき、それにより、衝突判定を正確に行うことが可能となるのが分かるであろう。

なお、図４に示される実施形態において、振動検出部３２に関連する方向に加えて、振動検出部３３に関連する方向も、主軸３０などの移動方向でない場合には、振動信号Ｘ１と振動信号Ｘ３との間の偏差｜ΔＸ｜を閾値Ｌ２とさらに比較するようにしてもよい。

また、工作機械の主軸３０などが二つの方向、例えば振動検出部３１および振動検出部３２に関連する方向に移動する場合には、振動信号Ｘ１と振動信号Ｘ３との間の偏差｜ΔＸ｜ならびに振動信号Ｘ２と振動信号Ｘ３との間の偏差｜ΔＸ｜のそれぞれを閾値Ｌ２と比較するようにしてもよい。このような場合であっても、本発明の範囲に含まれるのは明らかであろう。

本発明に基づく制御装置の構成図である。 図１に示される制御装置の記憶部に記憶される情報を示す図である。 本発明に基づく制御装置の衝突判定部における衝突判定する際の第一のフローチャートである。 本発明に基づく制御装置の衝突判定部における衝突判定する際の第二のフローチャートである。

符号の説明

１０ 数値制御装置
１１ 記憶部
１２ 衝突判定部
１３ 出力部
１４ 入力部
３０ 主軸
３１〜３３ 振動検出部
４１ 位置・速度検出部
Ａ 運転情報
Ｂ 位置情報
Ｃ 速度情報
Ｔ 日付時刻情報
Ｘ、Ｘ１〜Ｘ３ 振動信号

Claims (3)

1. 制御装置において、
   工作機械の主軸部または該主軸部に対して相対的に移動する移動体に取付けられた少なくとも１つの振動検出手段と、
   前記工作機械の前記主軸部または該主軸部に対して相対的に移動する前記移動体の位置および速度のうちの少なくとも一方を検出する位置・速度検出手段とを具備し、前記制御装置は日付時刻情報を計時する機能を有しており、
   さらに、
   該振動検出手段により検出された振動信号と前記位置・速度検出手段により検出された位置情報および速度情報のうちの少なくとも一方とを前記工作機械の運転情報に関連づけて前記日付時刻情報とともに記憶する記憶手段と、
   該記憶手段に記憶された前記振動信号と予め設定された閾値とを比較して、前記振動信号が前記閾値を超える場合には衝突が発生したと判定する衝突判定手段と、
   該衝突判定部により衝突が発生したと判定された場合には、前記衝突が発生したと判定されたときの前記振動信号と、前記位置情報および速度情報のうちの少なくとも一方と、前記振動信号と前記位置情報および速度情報のうちの少なくとも一方とに関連づけられた前記記憶手段内の前記運転情報とを前記日付時刻情報と共に外部に出力する出力手段とを具備する制御装置。
2. 前記工作機械の前記主軸部または該主軸部に対して相対的に移動する前記移動体は互いに直交する三軸移動方向に移動可能であり、少なくとも三つの振動検出手段が前記三軸移動方向におけるそれぞれの振動を検出できるようになっており、
   前記主軸部または該主軸部に対して相対的に移動する前記移動体が前記三軸移動方向のうちの一つまたは二つの移動方向に移動する際には、前記衝突判定手段は、前記一つまたは二つの移動方向において一つまたは二つの前記振動検出手段により検出された振動信号と残りの移動方向において残りの前記振動検出手段により検出された振動信号との間の差分が予め設定された他の閾値を超える場合に衝突が発生したと判定するようにした請求項１に記載の制御装置。
3. 前記運転情報は、前記工作機械の自動運転プログラムにおける前記主軸部または前記移動体の移動に関する情報である請求項１に記載の制御装置。

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