JP4406118B2

JP4406118B2 - 工作機械

Info

Publication number: JP4406118B2
Application number: JP22253399A
Authority: JP
Inventors: 孝宏小尾
Original assignee: DMG Mori Co Ltd; Mori Seiki Co Ltd
Current assignee: DMG Mori Co Ltd
Priority date: 1999-08-05
Filing date: 1999-08-05
Publication date: 2010-01-27
Anticipated expiration: 2019-08-05
Also published as: JP2001047342A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被送り台に係合してこの被送り台を移送する送りねじと、動力伝達機構を介して前記送りねじに連結し、送りねじを軸中心に回転させるサーボモータなどを備え、少なくとも垂直方向の送り成分を含む送り方向、換言すれば斜め方向を含む上下方向に前記被送り台を移動させるように設けられた工作機械に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上述したような、少なくとも垂直方向の送り成分を含む送り方向に被送り台を移動させるように設けられた工作機械は、通常、主電源が遮断されたとき、無励磁作動形のブレーキにより前記送りねじの回転が制止されるようになっており、これにより自重で前記被送り台が下方に移動するのを防止している。
【０００３】
ところで、例えば、駆動ベルトが切断されるなど動力伝達機構の連結状態に異常を来したり、或いはサーボモータへ供給される電流が遮断されたりした場合には、サーボモータによる制動力も、ブレーキによる制動力も送りねじに作用しないため、送りねじが回転自由となり、被送り台が自重により下方に移動して、治工具やテーブルが損傷するという問題を生じる。
【０００４】
そこで、このような問題が生じるのを防止すべく、従来、特開平１０−３０９６４５号公報に開示されるような落下防止装置が提案されている。この落下防止装置は、送りねじの回転を制止する制動手段と、送りねじの回転角を検出し、検出された回転角が指定値と異なる場合に制動手段を駆動して送りねじの回転を制止する検出手段とを備えたものとして構成されている。この落下防止装置によれば、上述した駆動ベルトの切断や、サーボモータに供給される電流の遮断によって送りねじが回転自由となり、被送り台が自重によって下方に移動すると、被送り台の移動に伴う送りねじの回転が前記検出手段によって検出され、この検出手段により前記制動手段が駆動されて送りねじの回転が制止され、その結果被送り台の下方への移動が制止されるようになっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述した特開平１０−３０９６４５号公報に開示された落下防止装置には、次に説明するような問題があった。即ち、上記落下防止装置は、被送り台の移動に伴う送りねじの回転を検出手段により検出して、当該送りねじの回転を制止するようにしているので、被送り台の送りが停止され、送りねじの回転が停止した状態でなければ、駆動ベルトの切断などによって、被送り台が自重移動（落下）可能となったかどうかを検出できないという問題があった。被送り台が送り駆動されている場合には、サーボモータにより送りねじが回転せしめられているのであるから、当然のことである。殊に、被送り台が下方に送り駆動されているときに、駆動ベルトが切断等して被送り台が自重移動（落下）可能になると、上方に移動している場合や停止している場合に比べて被送り台の移動速度が速いため、工作機械の損傷がひどくなり大きな問題となる。
【０００６】
また、上記落下防止装置においては、サーボモータに通常付設される位置検出器の他に、送りねじの回転を検出する検出手段が設けられているので、この分だけ工作機械を構成する部品点数が増えてコストアップとなり、更には、前記検出手段を送りねじの下端部に設けていることから、その配線が煩雑になる等の問題がある。
【０００７】
本発明は以上の実情に鑑みなされたものであり、特に、送りねじとサーボモータとを連結する動力伝達機構の連結状態に異常を来した場合などに、被送り台が例え送り駆動されている状態であってもこれをいち早く安価に検出して、被送り台が自重移動（落下）するのを防止し得る工作機械の提供を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段及びその効果】
上記目的を達成するための本発明の請求項１に係る発明は、少なくとも垂直方向の送り成分を含む送り方向に被送り台を移動させる送り機構と、該送り機構の作動を制御する制御手段とを備えた工作機械であって、前記送り機構が、前記被送り台に係合して該被送り台を前記送り方向に移動させる送りねじと、動力伝達機構を介して前記送りねじに連結し、該送りねじを軸中心に回転させるサーボモータとを備えるとともに、前記制御手段が前記サーボモータの作動をフィードバック制御するように設けられてなる工作機械において、
前記制御手段から前記サーボモータに出力される駆動電流値を監視し、該駆動電流値が所定の基準範囲外となったときに前記サーボモータの出力軸に作用するトルクが異常であると判定する異常検出手段と、前記送りねじに直結され、この送りねじの回転を制止する制動機構と、前記サーボモータの出力軸に作用するトルクが異常となったときに前記異常検出手段から出力される検出信号を受信し、前記制動機構を駆動して前記送りねじの回転を制止する制動駆動手段とを設けたことを特徴とする。
【０００９】
制御手段はサーボモータの出力軸の回転位置データを得てその供給電流を調整し、前記出力軸が所定の回転位置となるように当該サーボモータをフィードバック制御する。そして、このサーボモータの作動により送りねじが所定の回転量だけ回転せしめられると、送りねじに係合した被送り台がこれに応じた所定位置に移送せしめられる。送り方向が水平方向に対し４５゜以上傾斜した（９０゜を含む）送り機構のサーボモータに供給される駆動電流値は、被送り台の移動時及び非移動時の双方において、▲１▼被送り台の重量が直接送りねじに作用するように構成され、これがサーボモータの出力軸にトルクとして作用する場合にあっては、その定格電流の５０〜７５％程度となり、▲２▼被送り台にバランスウエイトなどが連結されて構成され、被送り台によってサーボモータの出力軸に作用するトルクが僅かなものとなっている場合にあっては、定格電流の０〜１０％となっている。
【００１０】
そして、駆動ベルト若しくはカップリングなどからなる動力伝達機構が何らかの原因により切断若しくは破損されてサーボモータと送りねじとの連結状態が解除され、送りねじが回転自由となって被送り台によるトルクがサーボモータの出力軸に作用しなくなると、制御手段からサーボモータに供給される駆動電流値は上述の５０〜７５％から５％以下まで急激に低下される。一方、チェーンなどを介して被送り台にバランスウエイトが連結されたものである場合には、チェーンなどの切断によって被送り台の荷重がサーボモータの出力軸にトルクとして作用すると、制御手段からサーボモータに供給される駆動電流値は上述の０〜１０％から５０％以上まで急激に上昇される。
【００１１】
したがって、制御手段からサーボモータに供給される駆動電流値を監視することで、サーボモータの出力軸に作用するトルクが異常であるかどうかを検出することができ、ひいては動力伝達機構に異常を来したかどうか、或いはバランスウエイトを連結するチェーンなどが切断されたかどうかを検出することができる。そこで、本発明においては、制御手段からサーボモータに供給される駆動電流値を異常検出手段により監視し、この駆動電流値が予め設定された基準範囲外になったとき、サーボモータの出力軸に作用するトルクが異常である、即ち、動力伝達機構に異常を来した、或いはバランスウエイトを連結するチェーンなどが切断されたと判定するようにしている。
【００１２】
このように、この発明によれば、サーボモータに供給される電流値を監視することにより、動力伝達機構に異常を来したかどうか、或いはバランスウエイトを連結するチェーンなどが切断されたかどうかを検出するようにしているので、例え被送り台が移動中であっても、このような異常を確実に検出することができる。また、上記従来の落下防止装置におけるような送りねじ回転検出用の検出手段が不要であるので、この分だけ部品点数が少なくて済み、製造コストを低く押えることができる。
【００１３】
そして、動力伝達機構に異常を生じ、これが異常検出手段により検出されると、制動機構によって送りねじの回転が制止される。これにより、被送り台が自重によって下方に移動するのを防止することができる。また、バランスウエイトを連結するチェーンが切断されると、被送り台の重量がそのまま動力伝達機構を介してサーボモータに限界を超える負荷として作用し、サーボモータによる制動力が機能しなくなって、被送り台が自重により下方に移動可能となるが、この場合にも制動機構により送りねじの回転が制止され、被送り台の下方への移動が防止される。また、制動機構が送りねじに直結されているので、即ち、送りねじと制動機構との間に他の構造物（機構）が介在していないので、送りねじを確実に制止させることができる。
【００１４】
また、本発明の請求項２に係る発明は、上記請求項１の発明における前記異常検出手段が、前記制御手段から前記サーボモータに出力される駆動電流の変化率を監視し、該変化率が所定の基準範囲外となったときに前記サーボモータの出力軸に作用するトルクが異常であると判定するように設けられている。
【００１５】
上述したように、駆動ベルト若しくはカップリングなどからなる動力伝達機構が何らかの原因により切断若しくは破損されてサーボモータと送りねじとの連結状態が解除され、送りねじが回転自由となって被送り台によるトルクがサーボモータの出力軸に作用しなくなると、制御手段からサーボモータに供給される駆動電流値は上述の５０〜７５％から５％以下まで急激に低下されるが、この場合の駆動電流値の変化率は、通常、５％／ｍｓを超えるものとなる。
【００１６】
また、チェーンなどを介して被送り台にバランスウエイトが連結されたものである場合には、チェーンなどの切断によって被送り台の荷重がサーボモータの出力軸にトルクとして作用すると、制御手段からサーボモータに供給される駆動電流値は上述の０〜１０％から５０％以上まで急激に上昇されるが、この場合の駆動電流値の変化率も、通常、５％／ｍｓを超えるものとなる。
【００１７】
したがって、本発明のように、サーボモータに供給される駆動電流値の変化率を監視することで、動力伝達機構に異常を来したかどうか、或いはバランスウエイトを連結するチェーンなどが切断されたかどうかを検出することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の具体的な実施形態について添付図面に基づき説明する。図１は、本実施形態に係る工作機械を一部断面で示す側面図であり、図２は、この工作機械の作動を制御する数値制御装置の本実施形態における主構成を示したブロック図である。
【００１９】
図１に示すように、本例の工作機械１は立形のマシニングセンタであり、その主だった構成として、ベッド２、このベッド２上に立設されたコラム３、上下動可能にコラム３に支持された主軸頭６、軸中心に回転自在に主軸頭６に支持された主軸７、この主軸７の下方のベッド２上に載置され、矢示Ａ−Ｂ方向に往復移動可能に設けられたサドル４、このサドル４上に設けられ、その長手方向に沿って往復移動するように設けられたテーブル５、並びに図２に示した数値制御装置２０などを備えている。
【００２０】
前記コラム３の矢示Ａ方向側の側面（前端面）にはその上下方向に沿ってガイドレール１１が設けられ、一方、主軸頭６の矢示Ｂ方向側の側面（後端面）にはその上下方向に沿って、複数のスライドベアリング１２が配列されており、このスライドベアリング１２とガイドレール１１が係合して、主軸頭６が上下方向（Ｚ軸方向）に往復移動可能となっている。また、前記コラム３の前端面の上下端にはそれぞれ軸受１０，１０が固設され、この軸受１０，１０によって回転自在に支持されるボールネジ８が設けられている。一方、主軸頭６の後端面には、前記ボールネジ８に螺合するナット９が設けられており、ボールネジ８が軸中心に回転することにより、ナット９がその軸方向に沿った推力を与えられ、主軸頭６が上下方向に駆動されるようになっている。
【００２１】
図１及び図２に示すように、前記ボールネジ８の上端部近傍には位置検出器１４の付設されたサーボモータ１３が設けられている。このサーボモータ１３はその出力軸１３ａが前記ボールネジ８と平行になる姿勢でコラム３に固設されており、更に出力軸１３ａの上端部にはプーリ１６が設けられている。また、前記ボールネジ８の上端部には電磁ブレーキ１９及びプーリ１７が直結され、このプーリ１７と前記プーリ１６の双方に駆動ベルト１８が巻回されている。そして、これらプーリ１６，１７及び駆動ベルト１８からなる動力伝達機構１５を介してサーボモータ１３の回転力がボールネジ８に伝達され、これが軸中心に回転するようになっている。
【００２２】
図２に示すように、前記数値制御装置２０はその主だった構成として、ＮＣ制御部２１，Ｚ軸駆動制御部２２，Ｚ軸サーボアンプ２３，異常検出部２４及びブレーキ駆動アンプ２５を備えている。前記ＮＣ制御部２１は、例えば加工プログラムなどを実行して工作機械各部の作動を数値制御する機能部であり、加工プログラムなどに基づいて前記主軸頭６の移動軸であるＺ軸に関する位置制御信号をＺ軸駆動制御部２２に出力する。Ｚ軸駆動制御部２２は、前記ＮＣ制御部２１から得られる目標位置と、前記位置検出器１４からのフィードバック信号に基づいて得られる現在位置との偏差から速度指令を生成してＺ軸サーボアンプ２３に出力する。そして、Ｚ軸サーボアンプ２３は受信した速度指令に比例した駆動電流をサーボモータ１３に供給してこれを回転させ、前記駆動ベルト１８及びボールネジ８などを介して主軸頭６をＺ軸方向に移動させる。
【００２３】
前記異常検出部２４は、前記Ｚ軸駆動制御部２２からＺ軸サーボアンプ２３に出力される速度指令値をサンプリングして、Ｚ軸サーボアンプ２３からサーボモータ１３に供給される駆動電流値を算出し、これを予め記憶されたしきい値と比較して、算出された駆動電流値がしきい値よりも小さくなった場合に、サーボモータ８の出力軸１３ａに作用するトルクが異常であると判定する機能部である。本例の場合、主軸７を含む主軸頭６の重量が、ナット９、ボールネジ８、プーリ１７、駆動ベルト１８及びプーリ１６を介してサーボモータ１３の出力軸１３ａにトルクとして作用するため、このトルクに抗して位置制御すべくＺ軸サーボアンプ２３からサーボモータ１３に供給される駆動電流はその定格電流の５０〜７５％となっている。そして、仮に、駆動ベルト１８が切断して出力軸１３ａにトルクが作用しなくなると、Ｚ軸サーボアンプ２３からサーボモータ１３に供給される駆動電流は、定格電流の５％以下に急激に低下する。そこで、本例では、異常検出部２４において、前記しきい値を例えばサーボモータ１３の定格電流の３０％に設定して、前記サーボモータ１３に供給される駆動電流を監視し、これが前記しきい値より小さい値となったときに、サーボモータ１３に作用するトルクが異常となった、即ち、前記動力伝達機構１５に異常を来したと判定して、異常信号を当該異常検出部２４からブレーキ駆動アンプ２３に出力するようにしている。
【００２４】
前記ブレーキ駆動アンプ２５は、前記異常検出部２４からの異常信号を受信して前記電磁ブレーキ１９に駆動電流を供給し、当該電磁ブレーキ１９を作動せしめる機能部であり、電磁ブレーキ１９はブレーキ駆動アンプ２５から所定の駆動電流を受給して、ボールネジ８が回転しないようにこれをロックする。
【００２５】
斯くして、この工作機械１によれば、前記ＮＣ制御部２１，Ｚ軸駆動制御部２２及びＺ軸サーボアンプ２３により前記サーボモータ２３がフィードバック制御され、その回転力が前記動力伝達機構１５を介してボールネジ８に伝達され、ボールネジ８とナット９との螺合関係から主軸頭６がＺ軸方向に駆動されて同方向に往復移動する。そして、前記動力伝達機構１５の駆動ベルト１８が切断されるなどして当該動力伝達機構１５に異常を来し、ボールネジ８が回転自由になると、前記Ｚ軸サーボアンプ２３からサーボモータ１３に供給される駆動電流値がその定格電流の５％以下に急激に低下して、これが異常検出部２４によって検出され、ブレーキ駆動アンプ２５を介して電磁ブレーキ１９が駆動されて、ボールネジ８がロックされる。これにより、主軸頭６が自重によって下方に落下するのが防止される。尚、電磁ブレーキ１９をボールネジ８に直結させているので、確実にボールネジ８をロックすることができ、主軸頭６が下方に落下するの確実に防止することができる。
【００２６】
このように、本例の工作機械１によれば、サーボモータ１３に供給される電流を監視することで、動力伝達機構１５に異常を来したかどうかを検出するようにしているので、例え主軸頭６が移動中であってもこのような異常を検出することができる。また、上述の従来におけるような送りねじ（ボールネジ８）の回転を検出するための検出手段が不要であるので、この分だけ部品点数が少なくて済み、製造コストを低く押えることができる。
【００２７】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明の具体的な態様がこれに限られるものでないことは言うまでもなく、例えば、前記動力伝達機構１５は、カップリングなどから構成されるものであっても良く、このカップリングを介してボールネジ８とサーボモータ１３とが同軸上に連結されるように構成されたものであっても良い。
【００２８】
また、前記主軸頭６は、チェーンなどを介してバランスウエイトが連結され、このバランスウエイトによってその重力方向のバランスをとるように設けられたものであっても良い。この場合、動力伝達機構１５を介してサーボモータ１３の出力軸１３ａに作用するトルクは僅かなものとなっており、Ｚ軸サーボアンプ２３からサーボモータ１３に常時供給される駆動電流はその定格電流の０〜１０％となっている。そして、仮にチェーンなどが切断されて、サーボモータ１３に主軸頭６の自重によるトルクが作用すると、Ｚ軸サーボアンプ２３からサーボモータ１３に供給される駆動電流は、上述の０〜１０％から５０％以上にまで急激に上昇する。したがって、この場合には、前記異常検出手段２４における処理を、前記しきい値を例えば上例と同様に定格電流の３０％に設定し、前記サーボモータ１３に供給される駆動電流を監視して、これが前記しきい値より大きい値となったときに、サーボモータ１３に作用するトルクが異常となった、即ち、前記チェーンが切断されたと判定して、異常信号を異常検出部２４からブレーキ駆動アンプ２３に出力するようにすると良い。尚、サーボモータ１３の加減速時において、駆動電流値が３０％以上となることが想定される場合には、かかる加減速時を判断対象から除外する必要がある。
【００２９】
前記チェーンが何らかの原因により切断されると、主軸頭６の重量がそのまま動力伝達機構１５を介してサーボモータ１３に限界を超える負荷として作用するため、サーボモータ１３による制動力が機能しなくなって、主軸頭６が自重により下方に移動し、治工具やテーブルが損傷するといった問題を生じるが、上記構成とすることで、チェーンの切断をいち早く検出して電磁ブレーキ１９によりボールネジ８をロックすることができるので、上記のような問題が生じるのを防止することができる。
【００３０】
また、前記異常検出部２４を、前記Ｚ軸駆動制御部２２からＺ軸サーボアンプ２３に出力される速度指令値をサンプリングして、Ｚ軸サーボアンプ２３からサーボモータ１３に供給される駆動電流値を算出した後その変化率を算出し、これを予め記憶されたしきい値と比較して、算出された駆動電流値の変化率がしきい値よりも大きくなった場合に、サーボモータ８の出力軸１３ａに作用するトルクが異常であると判定するように構成しても良い。
【００３１】
上述したように、駆動ベルト１８が切断して出力軸１３ａにトルクが作用しなくなると、Ｚ軸サーボアンプ２３からサーボモータ１３に供給される駆動電流値は定格電流の５０〜７５％から５％以下まで急激に低下されるが、この場合の駆動電流値の変化率は、通常、５％／ｍｓを超えるものとなる。また、チェーンなどを介して主軸頭６にバランスウエイトが連結されている場合には、チェーンなどの切断によってサーボモータ１３に主軸頭６の自重によるトルクが作用すると、Ｚ軸サーボアンプ２３からサーボモータ１３に供給される駆動電流は、定格電流の０〜１０％から５０％以上にまで急激に上昇するが、この場合の駆動電流値の変化率も、通常、５％／ｍｓを超えるものとなる。したがって、サーボモータ１３に供給される駆動電流値の変化率を監視することで、動力伝達機構１５に異常を来したかどうか、或いはバランスウエイトを連結するチェーンなどが切断されたかどうかを検出することができる。尚、この場合、駆動電流値の変化率が５％／ｍｓを超えたときに、異常であると判断するように構成すると良い。また、この場合において、サーボモータ１３の加減速時における駆動電流の変化率が５％／ｍｓを超えることが想定される場合には、かかる加減速時を判断対象から除外すると良い。
【００３２】
また、本発明を具現化し得る工作機械には、上述した立形のマシニングセンタの他に、垂直方向の送り成分を含む送り方向、即ち、斜め方向を含む上下方向に被送り台を移動させるように設けられた工作機械、例えば、往復台が斜めに傾斜して設けられたスラントタイプの旋盤などの全てが含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る工作機械を一部断面で示す側面図である。
【図２】本実施形態に係る工作機械の作動を制御する数値制御装置の、本実施形態における主構成を示したブロック図である。
【符号の説明】
１工作機械
６主軸頭
８ボールネジ
９ナット
１３サーボモータ
１４位置検出器
１５動力伝達機構
１６，１７プーリ
１８駆動ベルト
１９電磁ブレーキ
２０数値制御装置
２１ＮＣ制御部
２２Ｚ軸駆動制御部
２３Ｚ軸駆動アンプ
２４異常検出部
２５ブレーキ駆動アンプ

Claims

少なくとも垂直方向の送り成分を含む送り方向に被送り台を移動させる送り機構と、該送り機構の作動を制御する制御手段とを備えた工作機械であって、前記送り機構が、前記被送り台に係合して該被送り台を前記送り方向に移動させる送りねじと、動力伝達機構を介して前記送りねじに連結し、該送りねじを軸中心に回転させるサーボモータとを備えるとともに、前記制御手段が前記サーボモータの作動をフィードバック制御するように設けられてなる工作機械において、
前記制御手段から前記サーボモータに出力される駆動電流値を監視し、該駆動電流値が所定の基準範囲外となったときに前記サーボモータの出力軸に作用するトルクが異常であると判定する異常検出手段と、
前記送りねじに直結され、この送りねじの回転を制止する制動機構と、
前記サーボモータの出力軸に作用するトルクが異常となったときに前記異常検出手段から出力される検出信号を受信し、前記制動機構を駆動して前記送りねじの回転を制止する制動駆動手段とを設けたことを特徴とする工作機械。
前記異常検出手段が、前記制御手段から前記サーボモータに出力される駆動電流の変化率を監視し、該変化率が所定の基準範囲外となったときに前記サーボモータの出力軸に作用するトルクが異常であると判定するものである請求項１記載の工作機械。