JP4575847B2 - 心押台制御装置および心押動作の制御方法 - Google Patents

Description

被加工物をサーボモータおよびサーボモータに連結する送りねじによって駆動制御する心押台に装着された心押しセンターを用いて被加工物を支持する心押台制御装置に関する。

数値制御旋盤の被加工物（加工ワーク）を支持する心押台の駆動は、従来油圧駆動によるものが多かったが、近年サーボモータによって駆動制御する電動心押台が採用されてきている。

電動心押台は、サーボモータの駆動トルクを制御することにより被加工物の支持推力を自在に制御できるため、多品種少量ワークでの段取り時の推力変更などの非稼働時間が削減できたり、油圧ユニットを無くして機械の消費エネルギーを節約したりできるなどの利点がある。このような利点から電動心押台の採用が増加している。

図２は、サーボモータにより駆動制御される電動心押台の機構図の一例であり、サーボモータ９が回転駆動されることにより、サーボモータ９に連結された送りねじ１０６を介して心押台１０２が駆動制御され、心押台１０２に取り付けられた心押しセンター１０１が被加工物１００のセンター穴と嵌合することによって被加工物１００を支持するものである。

さて、被加工物の支持推力を得るために必要なサーボモータの駆動トルクは、駆動系の伝達機構から、被加工物の支持推力を発生させるために必要なサーボモータの駆動トルクに換算して求めている。なお、駆動系には伝達機構が存在するため、被加工物の支持推力からサーボモータの駆動トルクに換算する際には、伝達機構の伝達効率を考慮して求めていた。以降、図６のブロック図を用いて従来技術を説明する。

心押推力設定部１で予め設定された心押支持推力は、トルク指令変換部２で駆動系の変速比およびパラメータ設定部４に設定された心押台摺動面抵抗や送りねじ軸受け部の摩擦トルクやボールねじの効率を考慮してサーボモータ９の駆動トルクＴmに換算される。一方パラメータ設定部４には、予め心押前進時のアプローチ速度Ｖ２や心押定寸位置Ｐ２が設定されている。心押指令部３は、図示しない手動操作あるいは加工プログラムに応じて心押指令を発生させて、心押台制御部５を起動し、該起動された心押台制御部５は、サーボ制御部６、電力増幅部８を介してサーボモータ９のトルクを制御し心押台を駆動制御するとともに、位置検出器１０からの位置フィードバックにより心押台の位置制御を行う。この時、心押台制御部５は、トルク指令変換部２で換算された駆動トルクＴmを、トルク制限値記憶部７に記憶させてトルク制限値をサーボ制御部６へ送出し、該サーボ制御部６は、前記トルク制限値（駆動トルクＴm）を上限としたサーボモータ９のトルク制限制御を行う。

上述した構成により、心押台１０２を前記アプローチ速度Ｖ２で前記心押定寸位置Ｐ２に向かって駆動するようサーボモータ９を駆動制御する。これにより前記心押台１０２に装着された心押しセンター１０１が被加工物１００のセンター穴に嵌合し、サーボ制御部６から出力されるトルク指令値τaが前記駆動トルクＴmに達したところで、心押台１０２の送りを停止することによって被加工物１００は所定の支持推力で支持される。

特開２０００−１５３４３１号公報 特開平４−６３６０３号公報

上述した従来技術によれば、予め設定された心押支持推力に加えて、心押台摺動面や送りねじ軸受け部の摩擦トルクやボールねじの効率を考慮して、サーボモータ９の駆動トルクＴmに換算することにより、被加工物を所定の支持推力で支持することができる。

ここで、被加工物を支持した状態での心押し動作の制御には、心押推力を低圧から高圧に切り換える場合と、その逆に心押推力を高圧から低圧に切り換える場合とがある。前者、すなわち心押推力を低圧から高圧に切換える場合は、ボールねじの回転運動を心押台の直線運動に変換してトルクを与えるので、この場合の送りねじの動作は正作動である。これに対し、後者、すなわち心押推力を高圧から低圧に切換える場合は、それまで心押しセンターから高圧で押されていた被加工物が、逆に心押台を相対的に押す形となる。そして、この被加工物に押された力が送りねじ（ボールねじ）に伝達される。この場合、送りねじは、直線運動を回転運動に変換する動作、すなわち逆作動を行う。心押支持推力を低圧から高圧に切換える正作動の場合と、高圧から低圧に切換える逆作動の場合とでは、ボールねじに加わる力が異なる。したがって、駆動系の伝達機構の伝達効率を同じ値として、サーボモータの駆動トルクに換算したのでは、所定の支持推力が得られない。上述の従来技術は、この点について配慮していない。

サーボモータおよびサーボモータに連結する送りねじによって駆動制御する心押台に装着された心押しセンターを被加工物のセンター穴に押し付けて被加工物を支持する心押台制御装置において、被加工物支持に必要な心押支持推力Ｆaを設定する心押推力設定手段と、前記送りねじが正作動する場合に該設定された心押支持推力Ｆaを得るために必要なサーボモータのトルク値である正作動トルク指令値Ｔxを算出する心押支持正作動トルク演算手段と、前記送りねじが逆作動する場合に該設定された心押支持推力Ｆaを得るために必要なサーボモータのトルク値である逆作動トルク指令値Ｔyを算出する心押支持逆作動トルク演算手段と、サーボモータの駆動トルクを制限するトルク制限手段と、心押支持推力の高低圧切換を行う際に、正作動トルクまたは逆作動トルクのどちらのトルクが必要であるかを判定し、被加工物支持に必要なサーボモータのトルク指令値をサーボモータ駆動トルクの制限値として前記トルク制限手段に前記サーボモータの駆動トルクを制限させる制御手段と、を具備したことを特徴とする心押台制御装置を提供する。

心押支持推力の高低圧切換を行う際に、正作動トルクと逆作動トルクを切換えてサーボモータのトルク制限値を制御するので、加工ワーク支持に必要な所定の支持推力が得られる。したがって、推力不足による加工中ワークの飛び出しや、押し過ぎによるワークの変形などを排除し安全性の高い心押台制御装置を提供できるといった効果がある。

本発明の一実施例を、図１のブロック図を用いて説明する。なお、図６を用いて説明した従来技術と同等な部分については同一符号を付してその詳細な説明を省略する。

本実施形態において特徴的な構成として、正作動トルク指令変換部２１は、送りねじ１０６が正作動（すなわちねじの回転運動を心押台送りの直線運動に変換する動作）している状態でのサーボモータへのトルク指令値Ｔxを求める。［式１］によってサーボモータトルク指令値Ｔxを求める。また、図５のスケルトン図は、この算式で使用する符号に対応する各部位を示す。

［式１］
Ｔx＝（Ｆa＋ＦL）・Ｌ／（２π・η1）＋Ｔf
Ｔx：サーボモータトルク指令値
Ｆa：心押支持推力
ＦL：心押台ガイド抵抗
Ｌ：送りねじリード
η1：送りねじ正効率
Ｔf：送りねじ支持軸受け摩擦トルク
ここで、心押台ガイド抵抗は、公知のように、心押台１０２と、その送りを案内する心押台ガイド（図５参照）との間の摩擦抵抗である。また、正作動状態での送りねじの伝達効率である。送りねじ支持軸受け摩擦トルクは、送りねじを支持する送りねじ支持軸受け(図５参照)の摩擦トルクである。

逆作動トルク指令変換部２２は、送りねじ１０６が逆作動（すなわち送り軸の直線運動をねじの回転運動に変換する動作）している状態でのサーボモータへのトルク指令値Ｔyを求める手段である。逆作動トルク指令変換部２２は、次の［式２］によってサーボモータトルク指令値Ｔyを求める。

［式２］
Ｔy＝（Ｆa−ＦL）・Ｌ・η2／２π−Ｔf
Ｔy：サーボモータトルク指令値
Ｆa：心押支持推力
ＦL：心押台ガイド抵抗
Ｌ：送りねじリード
η2：送りねじ逆効率
Ｔf：送りねじ支持軸受け摩擦トルク

正作動の場合と逆作動の場合では、摩擦抵抗の向きが逆向きになるので、心押台ガイド抵抗ＦL及び送りねじ支持軸受け摩擦トルクＴfの符号は正作動と逆作動では逆になる。また、逆作動の場合の送りねじの伝達効率η2は、正作動の場合の送りねじの効率η1とは一般に同一ではない。駆動トルク検出部１１は、サーボ制御部６から時々刻々と出力されるトルク指令τaを検出し、心押台制御部５１へ送出する。心押台制御部５１は、図示しない手動操作あるいは加工プログラムにより心押推力高低圧切換指令が行われると、心押指令部３を介して起動される。起動された心押台制御部５１は、被加工物を所定の支持推力で支持するために、被加工物支持に必要な心押支持推力Ｆaを得るために必要なサーボモータトルクに換算したトルク指令値Ｔmを、トルク制限値記憶部７に記憶させ、サーボモータ９の出力トルクを制御する。このとき、心押推力が高圧のときはトルク指令値Ｔmとして正作動時のサーボモータトルク指令値Ｔxを用い、高圧から低圧へと切り換える指令がなされると、トルク指令値Ｔmとして逆作動時のサーボモータトルク指令値Ｔyを用いるように切り換える。なお、図４は心押台制御パラメータの設定画面例である。心押高圧推力、心押低圧推力、アプローチ速度、アプローチ開始位置、定寸位置（Ｐ２）、心押台摺動抵抗、送りねじリード（Ｌ）、送りねじ正効率（η1）、送りねじ逆効率（η2）、送りねじを支持する軸受け部の摩擦トルク（Ｔf）がこの画面から設定される。心押高圧推力は、高圧で心押しを行う場合の推力の設定値である。例えば荒加工のように深い切削を行う場合には、切削により被加工物に加わる力が非常に大きいので、そのような場合などには、この心押高圧推力を用い被加工物を強く把持することで、そのような大きい力に抗して被加工物を固定する。心押低圧推力は、低圧で心押しを行う場合の推力の設定値である。例えば仕上げ加工の場合、切削量は少ないので切削工具から被加工物に加わる力は小さく、したがって被加工物の固定に必要な力も小さくて済むので、この心押低圧推力で心押しを行う。この設定画面は、図１の構成におけるパラメータ設定部４が生成し、電動心押台の備えるディスプレイに表示する。パラメータ設定部４は、この画面に対しユーザがキーボード等の入力装置を用いて入力した各設定項目の値を、それぞれの項目の設定値として記憶する。正作動トルク指令変換部２１及び逆作動トルク指令変換部２２は、正作動トルク及び逆作動トルクを算出する際に、これら設定値を利用する。前記心押台制御部５１の動作を、図３の心押台制御を示すフローチャートを用いて詳細に説明する。この実施例では、心押台のオペレータ又は心押台を制御するプログラムは、心押支持推力として、上述のようにして設定された心押高圧推力と心押低圧推力とのうちの一方を選んで指示することができる。

この処理手順では、心押台制御部５１は、心押指令部３から心押前進指令を受けたら（ステップＳ１０）、正作動トルク指令変換部２１から供給される正作動のモータトルク指令値Ｔxをトルク制限値Ｔmとしてトルク制限値記憶部7に記憶させ（ステップＳ１６）、心押台が前進してワークを支持したときのサーボ制御部６から出力されるトルク指令値τaがモータトルク指令値Ｔxと一致したら（ステップＳ１８）、処理を終了する。このような流れにより、最初から高圧が指令された場合も、最初から低圧が指令された場合も、心押前進指令では正作動のトルク指令値を用いてサーボモータ９の制御が行われる。

心押指令部３より心押推力低圧指令を受け取ったとき、指令が高圧指令から低圧指令へと切り換わったか（すなわち前回が高圧指令で今回が低圧指令か）どうかを判定する（ステップＳ１４）。この判定で高圧から低圧に切り換わったと判定した場合、逆作動トルク指令変換部２２から供給される逆作動モータトルク指令値Ｔyをトルク制限値Ｔmとしてトルク制限値記憶部７に記憶させ（ステップＳ２０）、サーボ制御部６から出力されるトルク指令値τaがモータトルク指令値Ｔyと一致したら（ステップＳ２２）、処理を終了する。このような流れにより、高圧が指令された状態から低圧へと指令が切換えられた場合に、逆作動のトルク指令値を用いてサーボモータ９の制御が行われる。

なお、ステップＳ１４の判定で、心押推力切換指令が前回の低圧から今回は高圧へ変化した場合は、正作動のトルク指令値を用いてサーボ制御を行う。また、心押推力切換指令が前回と今回で変化が無い場合は、トルク制限値の切換え処理を行わない。

ワークの加工が完了して、心押後退指令を受けたら（ステップＳ１２）、トルク制限値を解除して（ステップＳ２４）、心押台を後退させ、処理を終了する。

本発明の心押台制御装置の一実施例を示すブロック図である。 電動心押台の機構図の一例である。 本発明の心押台制御を示すフローチャートである。 本発明の心押台制御パラメータの設定画面例である。 電動心押台のスケルトン図の一例である。 従来技術の心押台制御装置の一実施例を示すブロック図である。

符号の説明

１ 心押推力設定部、２ トルク指令変換部、３ 心押指令部、４ パラメータ設定部、５，５１ 心押台制御部、６ サーボ制御部、７ トルク制限値記憶部、８ 電力増幅部、９ サーボモータ、１０ 位置検出器、１１ 駆動トルク検出部、２１ 正作動トルク指令変換部、２２ 逆作動トルク指令変換部。

Claims (3)

1. サーボモータおよびサーボモータに連結する送りねじによって駆動制御する心押台に装着された心押しセンターを被加工物のセンター穴に押し付けて被加工物を支持する心押台制御装置において、
   被加工物支持に必要な心押支持推力Ｆaを設定する心押推力設定手段と、
   前記送りねじが正作動する場合に該設定された心押支持推力Ｆaを得るために必要なサーボモータのトルク値である正作動トルク指令値Ｔxを算出する心押支持正作動トルク演算手段と、
   前記送りねじが逆作動する場合に該設定された心押支持推力Ｆaを得るために必要なサーボモータのトルク値である逆作動トルク指令値Ｔyを算出する心押支持逆作動トルク演算手段と、
   サーボモータの駆動トルクを制限するトルク制限手段と、
   心押支持推力の高低圧切換を行う際に、正作動トルクまたは逆作動トルクのどちらのトルクが必要であるかを判定し、被加工物支持に必要なサーボモータのトルク指令値をサーボモータ駆動トルクの制限値として前記トルク制限手段に前記サーボモータの駆動トルクを制限させる制御手段と、
   を具備したことを特徴とする心押台制御装置。
2. 前記心押支持正作動トルク演算手段は、前記送りねじが正作動する場合の該送りねじの伝達効率を用いて前記正作動トルク指令値Ｔxを求め、前記心押支持逆作動トルク演算手段は、前記送りねじが逆作動する場合の該送りねじの伝達効率を用いて前記逆作動トルク指令値Ｔyを求めることを特徴とする請求項１記載の心押台制御装置。
3. サーボモータおよびサーボモータに連結する送りねじによって駆動制御する心押台に装着された心押しセンターを被加工物のセンター穴に押し付けて被加工物を支持する心押台の心押動作の制御方法であって、
   被加工物支持に必要な心押支持推力Ｆaを設定するステップと、
   前記送りねじが正作動する場合に該設定された心押支持推力Ｆaを得るために必要なサーボモータのトルク値である正作動トルク指令値Ｔxを算出するステップと、
   前記送りねじが逆作動する場合に該設定された心押支持推力Ｆaを得るために必要なサーボモータのトルク値である逆作動トルク指令値Ｔyを算出するステップと、
   心押支持推力の高低圧切換を行う際に、正作動トルクまたは逆作動トルクのどちらのトルクが必要であるかを判定し、被加工物支持に必要なサーボモータのトルク指令値をサーボモータ駆動トルクの制限値として前記サーボモータの駆動トルクを制御するステップと、
   を有する心押動作の制御方法。

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