JP4937297B2 - 複数の工具を駆動可能な工作機械を制御するための制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、工具を駆動可能な工作機械を制御するための制御装置に関する。

本発明はさらに、工具を駆動可能な工作機械を確実に作動させるための方法に関する。

市販の工作機械は一般に複数の工具を装着した工具交換器を有し、工作物の加工にその都度不可欠な加工工程にとって不可欠な工具がこの工具交換器によって自動的に交換される。まさに加工工程にとって必要な例えば特定のフライス等の工具は工具交換器によって、回転可能に配置される主軸の工具装着装置に導入される。工具交換工程とそれに続く加工工程は工作機械の制御装置によって制御される。この制御装置は加工工程と当該加工工程用に使用される工具とを部分プログラムに基づいて制御する。例えば、いかなる速度、特にいかなる回転速度で例えばフライス等の工具を回転させるべきであるかが部分プログラムにおいて確定される。

しかし個々の工具はしばしば大きな質量差と幾何学構造に大きな違いとを有する。例えば大型フライス等の相応に大きな工具は一般に、例えば小型フライスまたは小型ドリル等の小型工具と比べてかなり低い回転速度でのみ回転させることができる。ところで例えば部分プログラムにおいて、例えば不注意の結果として、工具にとって過度に高い回転速度（回転速度は例えば回転数として設けることができる）が確定されたなら、これは工具または機械に重大な損害をもたらすことがあり、または極端な場合人的損害さえもたらすことがある。なぜならば、例えば破壊された工具部分が高速で空間内を飛散して人に衝突することがあるからである。

しかし部分プログラム内で各工具の回転速度が正しい場合でも、それにもかかわらず工具、工作機械および工作機械によって取り囲まれた人に重大な損害を生じることがある。上で述べた速度移動限界の他にしばしば工具は特定の最大加速度および最大加加速度でのみ加速することが許容される。例えば、相応に設定された回転速度に向けて工具が過度に迅速に加速されると、例えば工具装着装置から工具が外れることがあり、これは前記の重大な損害をもたらすことがある。これは実務において頻繁に現れる。というのも、工具を駆動するモータを制御するための相応する目標値は制御装置によって一般に、所望する目標回転速度が極力迅速に達成されるように形成されるからである。すなわち、モータの最大加速能力に依存して工具は極力迅速に加速される。この処理方式は、質量の乏しい小型工具の場合一般に最適であるが、しかし質量のある大型工具または複雑に構成された大型工具の場合には上記の損害をもたらすことがある。

市販の工作機械では、付加的測定系を備えた制御外の付加的ハードウェアによって工具の回転数を監視することが知られている。

本発明の課題は、工作機械の安全な運転を可能とする制御装置および方法を提供することである。

この課題は、複数の工具を駆動可能な工作機械を制御するための制御装置であって、この制御装置が、
これらの工具にそれぞれ割り当てられて各工具に特有な１つの移動限界値またはこれらの工具にそれぞれ割り当てられて各工具に特有な複数の移動限界値を記憶するための１つの記憶装置と、
工具の移動を制御するための目標値を発生するための１つの目標値発生ユニットと、
１つの制限ユニットとを有し、
その都度駆動される工具に割り当てられた特有な１つの移動限界値またはその都度駆動される工具に割り当てられた特有な複数の移動限界値に基づいて目標値をこの制限ユニットによって制限して、工具の移動時に１つまたは複数の移動限界値を上まわることのないようにすることによって、この制限ユニットによって制限された目標値が確定されるようになった制御装置によって解決される。

この課題はさらに、複数の工具を駆動可能な工作機械を安全に運転するための方法であって、これらの工具について、それぞれ割り当てられて各工具に特有な１つの移動限界値またはこれらの工具にそれぞれ割り当てられて各工具に特有な複数の移動限界値が記憶されており、１つの工具の移動を制御するための目標値が発生され、その都度駆動される工具に割り当てられた特有な１つの移動限界値またはその都度駆動される工具に割り当てられた特有な複数の移動限界値に基づいて目標値を制限して、その工具の移動時に１つまたは複数の移動限界値を上まわらないようにすることによって、制限された目標値が確定される方法によって解決される。

本発明の有利な諸構成は従属請求項から明らかとなる。

制御装置の有利な諸構成は方法の有利な構成と同様に得られ、またその逆も可である。

この制御装置がさらに、
複数の制限された目標値と他の目標値とから複数の変更された目標値を確定するための目標値確定ユニットと、
これらの変更された目標値が、および／またはこれらの目標値から導き出された比較値が、その都度駆動される工具に割り当てられた特有な１つの移動限界値またはその都度駆動される工具に割り当てられた特有な複数の移動限界値を上まわったか否かを監視し、移動限界値を上まわると警報信号を出力する監視ユニットとを有すると有利であることが分かった。

付加的監視ユニットを制御装置に一体化することによって、追加的に変化した目標値の監視も可能となる。

またさらに、移動限界値を上まわることが監視ユニットによって検出されると、この制御装置が、その都度駆動される工具について減速過程中に１つまたは複数の移動限界値を上まわることのないように、その都度駆動される工具の移動の減速を、その都度駆動される工具の停止に至るまで制御するように制御装置が形成されていると有利であることが分かった。この措置によって減速過程時にも工作機械の安全な運転が可能となり、それとともに、減速過程により工具、工作機械または人の損傷を生じ得ることは確実に防止される。

またさらに、複数の目標値が位置目標値、速度目標値、加速度目標値または加加速度目標値として設けられていると有利であることが分かった。複数の目標値を位置目標値、速度目標値、加速度目標値または加加速度目標値として設けることは目標値の通常の構成である。

さらに、１つの移動限界値を速度移動限界値、加速度移動限界値または加加速度移動限界値として設け、または複数の移動限界値を速度移動限界値、加速度移動限界値および／または加加速度移動限界値として設けると有利であることが分かった。１つの移動限界値を速度移動限界値、加速移動限界値または加加速度移動限界値として設け、または複数の移動限界値を速度移動限界値、加速度移動限界値および／または加加速度移動限界値として設けることは、単数または複数の限界値の通常の構成である。

さらに、本発明に係る制御装置を備えた工作機械を構成すると有利である。

１実施例が図に示してあり、以下で詳しく説明される。

本発明の１実施例を示す。

図には略ブロック図の態様で工作機械２３が示してある。この工作機械２３は工作機械を制御するための制御装置１８と工具交換器１４と操作装置２１とを有する。工具交換器１４は図に示すこの構成の場合工具１２ｂ、１２ｃ（例えば異なるフライス）を装着している。これらの工具は保持装置１３によって工具交換器１４内で保持される。制御装置１８が出力側で発生する出力目標値信号は等間隔の時間サイクルで発生される出力目標値ｖ_sollv'であり、この出力目標値は本実施例では出力速度目標値として設けられている。出力目標値ｖ_sollv'は駆動装置９に出力され、工具１２ａの移動をフィードバック制御するための制御目標値となる。駆動装置９は制御器とモータを駆動するための変換装置とを内部に有し、このモータは本実施例ではスピンドルモータ１０として形成されている。所定の出力目標値ｖ_sollv'に対応して駆動装置９は工具１２ａの移動を制御し、すなわち本実施例では工具１２ａの回転速度を制御する。駆動装置９はこのため結線１５を介してスピンドルモータ１０と結合されている。スピンドルモータ１０は、工具装着装置２２を有する主軸１１を回転駆動する。本実施例では工具装着装置２２内にまさに工具１２ａがあり、この工具は例えばフライスの態様で設けることができる。工具装着装置２２は工具１２ａを装着するのに役立つ。回転する主軸１１の回転速度ｖ_ist、従って工具１２ａの回転速度は検出器２７を介して測定され、フィードバック制御のために制御実際値として駆動装置９に出力される。

さらに制御装置１８が制御ユニット１７を有し、この制御ユニットは本実施例ではいわゆるＰＬＣ（プログラマブルロジックコントローラ）として形成されている。この制御ユニット１７は工具交換器１４を制御するための制御信号１６を発生する。工具交換器１４によって、制御信号１６に相応して、工具装着装置２２内に装着中の工具は交換することができる。

主軸１１、従って工具１２ａを直線的に送るために工作機械は複数の駆動装置と駆動装置に相応に付設された複数のモータとを有し、これらのモータは駆動装置９に相応して制御装置１８から、主軸１１の直線的移動を制御するためのそれぞれに割り当てられた出力目標値を入力値として受け取る。見易くする理由から、また本発明を理解するうえで重要でないので、主軸１１を直線的に送るために設けられている駆動装置とモータは図示されていない。

制御装置１８はさらに、矢印１９で示すように制御装置１８によって読みとられる部分プログラム２０に基づいて工具１２ａの移動を制御するための目標値を発生するための目標値発生ユニット１を有する。部分プログラム２０において各加工工程は命令シーケンスの態様で規定されている。一般に複数の目標値ｖ_sollは、各加工工程が極力迅速に実行されるように確定される。本実施例では速度目標値ｖ_sollの態様で設けられるこれらの目標値は固定時間サイクルで出力される。こうして目標値発生ユニット１は、時間的に等間隔で出力される速度目標値ｖ_sollのシーケンスの態様で設けられる目標値信号を出力する。

本発明によれば制御ユニット１８は記憶装置３を有し、この記憶装置に工具１２ａ、１２ｂ、１２ｃに特有な移動限界値ｖ_amax、ａ_amax、ｖ_bmax、ａ_bmax、ｖ_cmax、ａ_cmaxが記憶されている。移動限界値は本実施例では速度移動限界値および加速度限界値として設けられている。工具１２ａは速度移動限界値ｖ_amax以下で回転させ、加速度移動限界値ａ_amax以下で加速することが許容される。同様に、工具１２ｂは速度移動限界値ｖ_bmax以下で回転させ、加速度移動限界値ａ_bmax以下で加速することが許容される。工具１２ｃは速度移動限界値ｖ_cmax以下で移動させ、加速度移動限界値ａ_cmax以下で加速することが許容される。こうして本実施例では各工具について２つの移動限界値が規定されている。しかし一般に工具当り１つの限界値のみ規定することもでき、または例えば最大加加速度移動限界値等の他の限界値を更に規定することもできる。そのことは応用事例と利用される工具とに左右される。こうして記憶装置３には各工具について各工具に特有な移動限界値が記憶されている。個々の移動限界値は各工具に割り当てられたデータセット４ａ、４ｂ、４ｃの構成要素である。

本発明によれば制御装置１８は、その都度駆動される工具に割り当てられた特有な複数の移動限界値に基づいて、制限された目標値ｖ_sollbを確定するための制限ユニット２を有する。制限ユニットによって発生され制限された複数の目標値ｖ_sollbが、および／または制限された目標値ｖ_sollbから導き出された複数の移動値（例えば加速度および／または加加速度の態様で設けることのできる時間別に導き出された目標値）が、１つまたは複数の許容された特有な移動限界値を上まわらないように、制限ユニット１２は目標値ｖ_sollを制限する。こうして制限ユニット２は複数の移動限界値に応じて適合された複数の制限された目標値ｖ_sollbを発生し、これらの目標値は工具装着装置２２内に装着中の工具１２ａの許容された移動限界値を上まわらない。このため制御ユニット１７は制限ユニット２に対して、工具装着装置２２内に装着中の工具を信号Ｗで通知する。装着中の工具に相応して、すなわち本実施例ではこれが工具１２ａであり、制限ユニット２は工具１２ａに割り当てられた移動限界値ｖ_amax、ａ_amaxを記憶装置３から読み取る。そのことが図に矢印６で示してある。制限ユニット２は次に速度目標値ｖ_sollを時間別に導き出すことによって、時間的に導き出された加速度目標値を計算する（微分商を時間別に計算）。

引き続き速度目標値ｖ_sollが速度移動限界値ｖ_amaxと比較され、加速度目標値ａ_sollが加速度移動限界値ａ_amaxと比較される。移動限界値のいずれをも上まわらない場合、目標値ｖ_sollはそのまま目標値確定ユニット７に出力される。その場合、制限された目標値ｖ_sollbは目標値ｖ_sollと一致する。しかし速度移動限界値ｖ_amaxまたは加速度移動限界値ａ_amaxを上まわる場合、制限ユニット２は制限された目標値ｖ_sollbを確定する。制限された目標値が、そして制限された目標値ｖ_sollbから時間的に導き出された加速度目標値が、それぞれに割り当てられた移動限界値ｖ_amax、ａ_amaxを上まわらないように、前記制限された目標値は目標値ｖ_sollに対して制限される。例えば目標値ｖ_sollが速度移動限界値ｖ_amaxを上まわると、速度移動限界値ｖ_amaxを上まわらない制限された目標値ｖ_sollbのみがなお制限ユニット２から出力される。例えば加速度目標値が最大加速度移動限界値ａ_amaxを上まわると、時間的に導き出された加速度値が加速度移動限界値ａ_amaxを上まわらない制限された目標値ｖ_sollbが制限ユニット２によって確定される。

こうして確定され制限された目標値ｖ_sollbは次に例えば出力目標値として駆動装置９に直接出力することができる。しかし一般に使用者の側から、目標値を駆動装置９に出力する前に使用者特有に再度目標値を使用者向けに変更したいとの要望も存在する。制御装置１８はこのために、本実施例では、制限された目標値ｖ_sollbを入力側で読み込む目標値確定ユニット７を有する。工作機械の操作装置２１を介して使用者は、主軸１１、従って工具１２ａの回転速度を例えば手動で変更するために、例えばハンドル車によって他の目標値ｖ_sollwを発生することができる。しかし例えば、使用者が特殊なプログラムによって他の目標値を発生することのできる図示しない使用者ユニットによって他の目標値を発生することもできる。目標値確定ユニット７は、制限された目標値ｖ_sollbと他の目標値ｖ_sollwとから、変更された目標値ｖ_sollvを確定する。本発明によれば、変更された目標値ｖ_sollvは入力値として監視ユニット８に供給される。本実施例では、変更された目標値ｖ_sollvは変更された速度目標値ｖ_sollvとして設けられている。

監視ユニット８はまず、変更された目標値ｖ_sollvから、変更された目標値ｖ_sollvの時間的導関数を計算することによって、変更された加速度目標値を計算する。制御ユニット１７から監視ユニット８は信号Ｗによって、いずれの工具が工具装着装置２２に装着中であるのかを伝えられる。本実施例ではこれは既に述べたように工具１２ａである。監視ユニット８は記憶装置３へのアクセスを有し、記憶装置３から、工具装着装置２２に装着中の各工具について、この工具に割り当てられた特有な移動限界値を読み取る。そのことが矢印２８で示してある。

監視ユニット８は次に、変更された速度目標値ｖ_sollvと、本実施例で導き出され変更された加速度目標値ａ_sollvの態様で設けられ、変更された目標値から導き出された（例えば時間別に導出された）比較値が、その都度駆動中の工具、すなわち工具装着装置２２に装着中の工具に割り当てられた特有な移動限界値を上まわるか否かを監視する。移動限界値の１つを上まわると、監視ユニット８から操作装置２１へと警報信号Ａが出力される。すると操作装置２１で相応する警報が使用者に通報される。

移動限界値のいずれをも上まわらない場合、変更された目標値ｖ_sollvがそのまま出力目標値ｖ_sollv'として監視ユニット８から出力される。しかし１つの移動限界値を上まわることが検出される場合、警報信号の発生の他に、駆動中の工具、すなわち本実施例では工具１２ａの移動減速が行われ、駆動された工具１２ａが停止するに至る。その場合、駆動された工具１２ａ、すなわち工具装着装置２２に装着中の工具の移動減速時に駆動中の工具１２ａの移動限界値を上まわらないように、監視ユニット８から出力目標値ｖ_sollv'が発生される。本実施例ではこの機能は監視ユニット８によって実施される。

しかしこれは必ずしもそうである必要はない。例えば、監視ユニット８が移動限界値の監視と超過のみを行い、移動限界値を上まわる場合警報信号Ａを付加的に例えば目標値確定ユニット７に送信し、それを受けて目標値確定ユニットが工具１２ａの移動を停止に至るまで減速するための相応に変更された目標値ｖ_sollvを発生するか、または工具の移動限界値を考慮することなく警報信号Ａが通報に加えて工具の減速および／または工作機械の停止を引き起こすことも可能である。

特に、複数の限界値を本発明により考慮して、制動過程は、制動中に現れる負の加速度値の絶対値が相応する加速度限界値を上まわらないように制御される。例えば操作装置２１の非常停止ボタンを押すときのような例外状況のとき制御装置１８はこうしてやはり、駆動中の工具の移動限界値を上まわらないように制動過程を制御することができる。

ここで付記しておくなら、目標値発生ユニット、制限ユニット、目標値確定ユニットおよび／または監視ユニットは一般に、１つまたは複数のプロセッサによって実行されるソフトウェアの態様で設けられている。

ここでさらに付記しておくなら、本実施例では目標値は速度目標値の態様で設けられている。しかし目標値は位置目標値、加速度目標値または加加速度目標値の態様で設けることもできる。

ここでさらに付記しておくなら、本発明にとって工作機械は必ずしも工具交換器を有する必要がなく、工具交換は手動で、例えば工作機械の操作員によって行うこともできる。どの工具が工具装着部に装着中で、駆動されるのかをこの制御装置が承知していさえすればよい。

例えば工作物を計測するためにしばしばプローブまたはカメラが工具装着装置に装着される。ここで付記しておくなら、本発明ではなかんずくプローブ、カメラも工具と見做される。

さらに付記しておくなら、工作物の移動は本実施例におけるように必ずしも回転移動の態様で設ける必要はなく、直線移動または直線移動と回転移動との組合せの態様でも設けることができる。

ここでさらに付記しておくなら、上で述べたように信号Ｗを制御ユニット１７から制限ユニット２に転送するのでなく、その代りに制御ユニット１７から記憶装置３に転送することも可能である。その場合、記憶装置３内で信号Ｗによって、工具１２ａに割り当てられた移動限界値が選択され、制限ユニット２に転送される（矢印６参照）。

１ 目標値発生ユニット
２ 制限ユニット
３ 記憶装置
８ 監視ユニット
１２ 工具
１８ 制御装置
２３ 工作機械
ｖ_soll 目標値（速度）
ｖ_amax、ａ_amax、ｖ_bmax、ａ_bmax、ｖ_cmax、ａ_cmax 移動限界値
ｖ_sollv 変更された目標値
ｖ_sollv'出力目標値

Claims (5)

1. 複数の工具（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ）を駆動可能な工作機械（２３）を制御するための制御装置であって、この制御装置（１８）が、
   工具（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ）にそれぞれ割り当てられて各工具（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ）に特有な１つの移動限界値（ｖ_amax、ｖ_bmax、ｖ_cmax）または工具（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ）にそれぞれ割り当てられて各工具（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ）に特有な複数の移動限界値（ｖ_amax、ａ_amax、ｖ_bmax、ａ_bmax、ｖ_cmax、ａ_cmax）を記憶するための１つの記憶装置（３）と、
   １つの工具（１２ａ）の移動を制御するための複数の目標値（ｖ_soll）を発生するための１つの目標値発生ユニット（１）と、
   １つの制限ユニット（２）とを有し、
   その都度駆動される工具（１２ａ）に割り当てられた特有な１つの移動限界値またはその都度駆動される工具（１２ａ）に割り当てられた特有な複数の移動限界値に基づいて目標値（ｖ_soll）を制限ユニット（２）によって制限して、工具（１２ａ）の移動時に１つまたは複数の移動限界値を上まわることのないようにすることによって、制限ユニット（２）によって制限された目標値（ｖ_sollb）が確定され、
   制御装置（１８）がさらに、
   複数の制限された目標値（ｖ _sollb ）と他の目標値（ｖ _sollw ）とから複数の変更された目標値（ｖ _sollv ）を確定するための目標値確定ユニット（７）と、
   これらの変更された目標値（ｖ _sollv ）が、および／または目標値から導き出された比較値が、その都度駆動される工具（１２ａ）に割り当てられた特有な１つの移動限界値またはその都度駆動される工具に割り当てられた特有な複数の移動限界値を上まわったか否かを監視し、移動限界値を上まわると警報信号（Ａ）を出力する監視ユニット（８）とを有し、
   移動限界値を上まわることが監視ユニット（８）によって検出されると、その都度駆動される工具（１２ａ）について減速過程中に１つまたは複数の移動限界値を上まわることのないように、その都度駆動される工具（１２ａ）の移動の減速を、その都度駆動される工具（１２ａ）の停止に至るまで制御する制御装置。
2. 複数の目標値（ｖ_soll）が位置目標値、速度目標値、加速度目標値または加加速度目標値として設けられている請求項１に記載の制御装置。
3. １つの移動限界値が速度移動限界値、加速度移動限界値または加加速度移動限界値として設けられ、または複数の移動限界値が速度移動限界値、加速度移動限界値および／または加加速度移動限界値として設けられている請求項１又は２に記載の制御装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか１つに記載の制御装置を備えた工作機械。
5. 複数の工具（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ）を駆動可能な工作機械（２３）を安全に運転するための方法であって、工具（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ）について、それぞれ割り当てられて各工具（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ）に特有な１つの移動限界値（ｖ_amax、ｖ_bmax、ｖ_cmax）または工具（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ）にそれぞれ割り当てられて各工具（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ）に特有な複数の移動限界値（ｖ_amax、ａ_amax、ｖ_bmax、ａ_bmax、ｖ_cmax、ａ_cmax）が記憶されており、１つの工具の移動を制御するための複数の目標値（ｖ_soll）が発生され、その都度駆動される工具（１２ａ）に割り当てられた特有な１つの移動限界値またはその都度駆動される工具（１２ａ）に割り当てられた特有な複数の移動限界値に基づいてこれらの目標値（ｖ_soll）を制限して、工具（１２ａ）の移動時に１つまたは複数の移動限界値を上まわらないようにすることによって、制限された複数の目標値（ｖ_sollb）が確定され、
   複数の制限された目標値（ｖ _sollb ）と他の目標値（ｖ _sollw ）とから複数の変更された目標値（ｖ _sollv ）を確定し、
   これらの変更された目標値（ｖ _sollv ）が、および／または目標値から導き出された比較値が、その都度駆動される工具（１２ａ）に割り当てられた特有な１つの移動限界値またはその都度駆動される工具に割り当てられた特有な複数の移動限界値を上まわったか否かを監視し、移動限界値を上まわると警報信号（Ａ）を出力し、
   移動限界値を上まわることが検出されると、その都度駆動される工具（１２ａ）について減速過程中に１つまたは複数の移動限界値を上まわることのないように、その都度駆動される工具（１２ａ）の移動の減速を、その都度駆動される工具（１２ａ）の停止に至るまで制御する方法。
   
   

Images