JP5056307B2 - Ｎｃ制御機器および記録媒体 - Google Patents

Description

本発明はワークを移動させる移動体の駆動源の出力の情報と加速度の情報とからワークの質量を推定する手段を有したＮＣ制御機器およびワーク質量を推定する制御プログラムを記録した記録媒体に関するものである。

ＮＣ制御機器、例えばＮＣ制御工作機械では、テーブルにワークを固定し、このテーブルを駆動源であるモータにより移動させるようにしている。テーブルの移動用モータは、ＮＣ制御装置によりフィードバック制御され、このフィードバック制御によってワークの移動位置が正確に制御されるようになっている。
このようなＮＣ制御機器のうちには、ユーザが設定したワーク質量に応じて制御の時定数を変えるように、例えばワーク質量が軽いときには時定数を短くし、重いときには時定数を長くするように構成したものがある。ここで、時定数とは、テーブルを加速させるとき、静止した状態から所定速度に達するまでの時間をいい、従って時定数は加速度の大きさを表す値となり、時定数が小さいときはテーブルの加速度は大きく、時定数が大きいときはテーブルの加速度は小さい。

この場合、ユーザが設定したワーク質量が実際のワーク質量よりも軽い場合には、時定数が適正値よりも短くなってしまい、メカ機構部品の寿命の低減や、振動増加、メカ機構の破損などを生じさせる可能性がある。このため、ＮＣ制御装置自身がワーク質量を正確に推定できることが好ましい。そこで、特許文献１では、テーブルに固定されたワークの質量に応じた時定数を求めるために、テーブルを移動させるモータのトルクと加速度からワークの質量を推定するようにしている。
特開２００４−５４８３８号公報

特許文献１のワーク質量推定は、推定精度を上げるために、加速度が設定値以上になったとき、所定のサンプリング周期毎に複数回推定計算を行い、その平均を取るようにしている。この質量推定は、ワークをテーブルに取り付けた後、そのワークの加工のためにテーブルが移動する際に行われる。この際、テーブルの移動距離が短いと、所定回数以上の推定計算ができず、推定値が不正確になったり、場合によっては、質量推定ができないまま、ユーザが設定したワーク質量から求めた時定数でテーブルを移動させることとなり、モータに大きな負荷をかけ続けてしまうという恐れがある。また、ワークの加工途中で、テーブルがある程度長い距離移動されると、その際にワーク質量の推定が行われ、従って、ユーザが意図しないタイミングで時定数の変更が行われてしまうという不具合が生じることもある。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、その目的は、ユーザが意図したタイミングでワーク質量の推定が確実に実行されるＮＣ制御機器およびワーク質量推定制御プログラムを記録した記録媒体を提供することにある。

本発明は、操作手段を操作することで、ワーク質量推定手段によるワーク質量の推定が行われる。そして、このワーク質量推定手段によるワーク質量の推定の際、制御手段は、位置検出手段により検出された移動体の位置を取得して、移動体がサドルの一端側の位置にあるか否かを判断し、
前記移動体が前記サドルの一端側の位置にある場合には、駆動手段を制御することにより、前記サドルの一端側の位置を所定の長距離移動の出発位置として、当該出発位置から他端側の所定位置まで前記移動体を所定の長距離移動させ、
前記移動体が前記サドルの一端側の位置にない場合には、前記駆動手段を制御することにより、前記移動体を前記サドルの一端側の位置に移動させ、その後、前記サドルの一端側の位置を所定の長距離移動の出発位置として当該出発位置から他端側の所定位置まで、前記移動体を所定の長距離移動させ、
前記所定の長距離移動時の駆動手段の出力の情報と加速度の情報からワークの質量を推定する。

このため、ユーザの希望するタイミングでワーク質量の推定が行われる。また、ワーク質量を推定する際には、移動体が所定の長距離移動できる位置から移動し始めるので、移動距離が不足することがなく、ワーク質量の推定を確実に行うことができる。
ここで、上記の所定の長距離移動とは、移動体が所定値以上の加速度に上昇して移動し、その後、減速して停止することができる程度の距離を言う。

以下、本発明の一実施形態をＮＣ制御工作機械（ＮＣ制御機器）に適用して説明する。
まず、この実施形態においてワーク質量を推定する原理を説明する。ＮＣ制御工作機械では、通常、ワークはテーブルに固定され、そのテーブルはモータを駆動源とするボールねじ機構によって直線移動される。ワーク質量の推定は、モータによりテーブルを直線移動させて行う。

ここで、ワークを固定してテーブルを移動させた場合、次の式が成り立つ。
モータトルク＝総質量×ｋ×加速度＋粘性抵抗×速度＋摺動抵抗……（１）
但し、ｋは、総質量をモータ軸換算イナーシャに変換するパラメータである。
総質量は、ワーク質量とワーク無し時の質量との和であるから、
ワーク質量＝［（モータトルク−粘性抵抗×速度−摺動抵抗）／（加速度×ｋ）］
−ワーク無し時の質量……（２）
ワーク無し時の質量は、機械構成が決まれば、一義的に決まる値である。式（２）によりワーク質量を正確に求めるためには、粘性抵抗と摺動抵抗とが既知である必要がある。

しかしながら、粘性抵抗や摺動抵抗は、機械の環境温度によって大きく変化することがあるし、また、機械を使用してゆくうちに、各種のメカ機構の摩耗・がたの影響によって変化することがあるので、（２）式ではワーク質量の正確な推定には不十分である。そこで、本実施形態では、加速時に推定したワーク質量と減速時に推定したワーク質量との平均を求め、この平均値をワーク質量とすることによって粘性抵抗および摺動抵抗をキャンセルできるようにした。

つまり、ワーク質量の推定のためにテーブルを移動させるとき、その駆動源であるモータを、台形の速度パターンとなるように速度制御する。即ち、ワーク質量推定時、テーブルは、図７に示すように、静止状態から一定の速度Ｖとなるまで、一定の加速度で速度上昇（加速行程）し、そして、その一定の速度Ｖで一定の距離移動（定速行程）した後、一定の減速度で減速（減速行程）して停止するように制御される。

加速行程での任意の速度Ｖ１のときの加速度をα、トルクをＴ１とし、減速行程での同じ速度Ｖ１のときの加速度を−α、トルクをＴ２とすると、加速行程で推定されるワーク質量と減速行程で推定されるワーク質量は、夫々次の２つの式であらわされる。
加速行程でのワーク質量＝［（Ｔ１−粘性抵抗×Ｖ１＋テーブルの摺動抵抗）
／（α×ｋ）］−ワーク無し時の質量……（３）
減速行程でのワーク質量＝−［（Ｔ２−粘性抵抗×Ｖ１＋テーブルの摺動抵抗）
／（α×ｋ）］−ワーク無し時の質量……（４）
従って、加速行程でのワーク質量と減速行程でのワーク質量との平均は、次に式で表される。
［（３）式＋（４）式］／２＝［（Ｔ１−Ｔ２）／（２×α×ｋ）］
−ワーク無し時の質量……（５）

このように、加速行程でのワーク質量と減速行程でのワーク質量との平均をワーク質量とすることによって機械の環境温度や経年変化によって生ずる変動分をキャンセルでき、より正確なワーク質量を推定できるものである。
なお、上記説明では、加減速の途中の任意の速度Ｖ１のときにワーク質量の推定を行うようにしたが、推定精度を高めるためには、加速度の絶対値が一定値以上のとき、所定のサンプリング周期経過毎に複数回推定演算し、それらの平均を取ることが好ましい。

さて、図２はＮＣ制御工作機械の概略構成を示す。この図２に示されているように、ＮＣ制御工作機械のベッド１上には、Ｙ方向（前後方向）に移動するサドル２が設けられ、このサドル２上にＸ方向（左右方向）に移動するテーブル３が設けられ、更に、コラム４には、主軸頭５がＺ方向（上下方向）に移動可能に設けられている。そして、主軸頭５には、カッターなどの工作用工具を取り付けるための主軸６が設けられている。

サドル２、テーブル３および主軸頭５は、夫々図４に示すＹ軸モータ７、Ｘ軸モータ８、Ｚ軸モータ９を駆動源としてＹ，Ｘ，Ｚ方向に直線移動し、また、主軸６は、同じく図４に示す主軸モータ１０を駆動源として回転する。サドル２、テーブル３および主軸頭５を直線移動させる機構は、いずれもボールねじ機構（回転運動‐直線運動変換機構）が採用されている。このボールねじ機構をテーブル３のボールねじ機構１１に代表させて図１に示す。

即ち、テーブル３は、サドル２上に設けられたリニアガイド１２に案内されてＸ方向（図１で左右方向）に直線移動可能になっている。一方、ボールねじ機構１１は、ねじ軸１３とボールを収納したボールナット１４とからなり、そのうち、ボールナット１４がテーブル３の下部に取り付けられている。ねじ軸１３は、ボールナット１４に螺合され、左右両端部がサドル２の左右両側に設けられたブラケット１５によって回転可能に支持されている。そして、ねじ軸１３の一端部がサドル２の一端側に配設されたＸ軸モータ８の回転軸８ａにカップリング１６を介して連結されている。このようなボールねじ機構１１において、ねじ軸１３がＸ軸モータ８によって回転されると、その回転方向に応じてテーブル３が左方向或いは右方向に向って直線移動する。

上記のようなＮＣ制御工作機械は、操作盤（図示せず）を備えており、この操作盤には、図４に示す例えば液晶ディスプレイからなる表示装置１７およびメカニカルスイッチなどからなる各種のスイッチ１８が設けられている。また、表示装置１７の表面には、タッチパネル１９が設けられており、このタッチパネル１９は、スイッチ１８群と共に入力装置（操作手段）２０を構成している。

ＮＣ制御工作機械は、図４に示すＮＣ制御装置２１によって制御される。ＮＣ制御装置２１は、ＮＣ制御工作機械の動作全般を制御する機能を有しており、マイクロコンピュータを主体として構成されている。即ち、ＮＣ制御装置２１は、ＣＰＵ２２、ＲＯＭ（記録媒体）２３、ＲＡＭ２４を備え、それらをバス２５によって接続して構成されている。そのうち、ＲＯＭ２３には、加工プログラムを解読するためのプログラムの他、テーブル３上に固定されたワークの質量を推定するための制御プログラム、ワーク質量を推定する際にモータの回転の加速度をテーブル３の加速度に変換するための係数やモータのトルクをテーブルの推力に変換するための係数、或いは許容最大ワーク質量（最大搭載質量）などが記録されている。

上記ＲＡＭ２４には、加工プログラムが与えられるようになっており、ＣＰＵ２２は、ＲＯＭ２３に記憶されたプログラムに基づいてＲＡＭ２４の加工プログラムから数値情報を取得し、モータ制御部２６に対して各モータ７〜１０を制御するための指令を与える。モータ制御部２６は、与えられた指令に基づいて各モータ７〜１０を制御し、テーブル３上に固定されたワークに対し、所定の加工を施すようになっている。

ここで、モータ制御部２６は、各軸モータ７〜１０を制御するためのサーボアンプ２７〜３０を備えている。ＹＸＺ軸モータ７〜９のサーボアンプ２７〜２９の構成は同一であるから、ここでは、テーブル３についてのＸ軸モータ８のサーボアンプ２８につき、図３により説明する。即ち、Ｘ軸モータ８は、ロータリエンコーダ３１を備えており、このロータリエンコーダ３１は、Ｘ軸モータ８の現在位置情報を位置フェードバック信号ＳｂとしてＮＣ制御装置２１に与える。そして、ＮＣ制御装置２１は、加工プログラムから取得した数値情報に基づいて位置の指令（単に位置指令）Ｓａを生成し、サーボアンプ２８に与える。

サーボアンプ２８は、位置指令Ｓａ通りＸ軸モータ８が動作するようにＸ軸モータ８の電流を制御するように構成されている。具体的には、サーボアンプ２８の加算器３２において、位置指令Ｓａと実際の位置の信号である位置フィードバック信号Ｓｂとの位置偏差Ｓｅが算出され、この位置偏差Ｓｅに位置ループゲインＫｐを乗ずることにより速度指令Ｓｆが算出される。

そして、加算器３３において、上記速度指令Ｓｆと実際の速度、つまり位置フィードバック信号Ｓｂを微分回路３４で微分して得られた速度Ｓｇとの速度偏差Ｓｈが算出される。この速度偏差Ｓｈに速度ループ比例ゲインＫｖｐを乗ずることにより得られた電流指令（比例）Ｓｉと、上記速度偏差Ｓｈを積分回路３５により積分してその積分結果に速度ループ積分ゲインＫｖｉを乗ずることにより得られた電流指令（積分）Ｓｊとを、加算器３６により加算することにより、電流指令Ｓｋが算出される。そして、この電流指令Ｓｋに従うように電流制御部３７によりＸ軸モータ８が通電制御される構成になっている。また、電流制御部３７は、Ｘ軸モータ８の電流情報、即ち、Ｘ軸モータ８の出力であるトルク情報Ｔ（ｎ）をＮＣ制御装置２１に与えるように構成されている。

図４に示すように、ＮＣ制御装置２１には、前述の表示装置１７、スイッチ１８群、タッチパネル１９が接続されている。スイッチ１８群のうち、一つはモード選択スイッチとされ、別の一つはワーク質量手動入力選択スイッチとされ、更に別の一つはワーク質量自動推定選択スイッチとされている。そして、モード選択スイッチが操作されると、ＮＣ制御装置２１は、ＲＯＭ２３に記憶されたワーク質量推定の制御プログラムが実行されるようになる。

即ち、ワークＷを固定装置（図示せず）によりテーブル３に固定した後、ユーザの所望時期に、スイッチ１８のうちのモード選択スイッチを操作する。すると、ＮＣ制御装置２１は、図５のフローチャートに示すように、モード選択スイッチからの入力信号を検出し（ステップＳ１で「ＹＥＳ」）、ＲＯＭ２３に記憶されたワーク質量推定のための制御プログラムを読み出してワーク推定モードとなる（ステップＳ２）。そして、ＮＣ制御装置２１は、ワーク質量推定のための制御プログラムの実行に移り、表示装置１７の画面をワーク質量推定モード用に変更する（ステップＳ３）。

この実施形態では、ワークＷの質量は手動で入力できるようにもなっていて表示装置１７の画面がワーク質量推定モード用に変更されると、ワーク質量を手動入力するか、自動推定するかを選択できるようになる。ワークＷの質量が過去に自動推定されて既知であったり、大体の質量が分っていたりした場合には、ワーク質量手動入力選択スイッチを操作する（ステップＳ４で「手動」）。すると、ＮＣ制御装置２１は、ユーザがワークＷの質量を手動操作によって入力できる状態にする。そこで、ユーザは、入力装置２０のテンキー、或いはタッチパネル１９に表示されたテンキーを使用してワークの質量を入力する（ステップＳ５）。

一方、ワーク質量自動推定選択スイッチを操作すると（ステップＳ４で「自動」）、ＮＣ制御装置２１は、次のようにしてワークＷの質量を推定する。即ち、まず、ＮＣ制御装置２１は、Ｘ軸モータ８のロータリエンコーダ３１からサドル２上におけるテーブル（移動体）３の現在位置を取得する（ステップＳ６）。テーブル３の現在位置がサドル２の一端側の所定位置にない場合（ステップＳ７で「ＮＯ」）には、ＮＣ制御装置２１は、Ｘ軸モータ（駆動手段）８を駆動してテーブル３をサドル２の一端側の所定位置（出発位置）に移動させる（ステップＳ８：制御手段）。

次いで、ＮＣ制御装置２１は、Ｘ軸モータ８を制御してテーブル３をサドル２の一端側の所定位置を所定の長距離移動の出発位置として当該出発位置から他端側の所定位置（到着位置）まで移動させる（ステップＳ９：制御手段）。このとき、ＮＣ制御装置２１は、Ｘ軸モータ８を図７に示す台形速度パターンとなるように速度制御する。そして、ＮＣ制御装置２１は、ロータリエンコーダ（位置検出手段）３１からの位置フィードバック信号Ｓｂを２回微分して得られるＸ軸モータ８の回転の加速度が所定の加速度以上になってから、ロータリエンコーダ３１からの位置フィードバック信号Ｓｂを１回微分して得られるＸ軸モータ８の速度がＶ１，Ｖ２…Ｖｎとなる複数時点において、Ｘ軸モータ８の加速度と、電流制御部３７からのＸ軸モータ８の出力トルクを取得する。

次に、ＮＣ制御装置２１は、Ｘ軸モータ８が減速過程に入ってから、所定の加速度未満となるまでに、加速過程における速度と同速度Ｖｎ，…Ｖ２，Ｖ１となる複数時点において、Ｘ軸モータ８の加速度と、Ｘ軸モータ８の出力トルクを取得する。そして、加速過程と減速過程とで取得した速度Ｖ１，Ｖ２…ＶｎのＸ軸モータ８の加速度と出力トルクとによって前記（５）式を用いてワーク質量を算出し、且つ、各速度Ｖ１，Ｖ２…Ｖｎでのワーク質量の平均を算出し、その平均値を推定したワーク質量とする（以上、ステップＳ１０：ワーク質量推定手段）。

以上のようにして、ワーク質量が手動にて入力され、或いは自動でワーク質量が推定されると、ＮＣ制御装置２１は、ワーク質量から時定数を算出し（ステップＳ１１）、次いで、入力され、或いは推定したワーク質量が許容最大ワーク質量を超えているか否か判断する（ステップＳ１２）。
入力され、或いは推定したワーク質量が許容最大ワーク質量を超えていた場合（ステップＳ１２で「ＹＥＳ」）には、ＮＣ制御装置２１は、表示装置１７に例えば図６に示すように「ワーク質量がオーバーしています。ワークを確認して下さい。」との警告文を表示し（ステップＳ１３）、続いて、表示装置１７に入力され、或いは推定したワーク質量を許容最大ワーク質量（最大積載質量）と共に表示する（ステップＳ１４）。

入力され、或いは推定したワーク質量が許容最大ワーク質量以下であった場合（ステップＳ１２で「ＮＯ」）には、ＮＣ制御装置２１は、警告文は表示せず、ワーク質量と許容最大ワーク質量を表示する（ステップＳ１４）。
ユーザは、警告文が表示された場合、ワークＷの固定状態を確認する。固定が不確実であったような場合には、テーブル３の移動時にワークＷが動いて質量推定に影響を及ぼすので、そのときには、ワークＷを固定しなおして、ワーク質量の推定を再度行わせるべく、表示装置１７の「推定開始」部分をタッチ操作する。これにより、ＮＣ制御装置２１は、再度上述のワーク質量の自動推定を行う。

以上のように本実施形態によれば、ユーザがモード選択スイッチを操作し、その上で、タッチパネル１９によりワーク質量の自動推定を選択すると、その操作に基づいてワークＷの質量を自動的に推定し、時定数の変更が行われる。このように、ユーザの希望する時点でワーク質量の推定が行われ、時定数の変更が実行されるので、テーブル３の移動速度がユーザの意図しないタイミングで変化してしまうという不具合の発生を防止できる。
また、ワーク質量の推定は、テーブル３をサドル２の端から端までの所定の長距離移動させて行うので、テーブル３の加速度が所定値以上にならず、ワーク質量を推定できなくかったり、ワーク質量を複数回演算できなくなったりすることを防止でき、確実且つ正確にワークＷの質量を推定することが可能となる。

なお、本発明は上記し且つ図面に示す実施例に限定されるものではなく、以下のような拡張或いは変更が可能である。
推定したワーク質量が最大許容ワーク質量を超えていた場合、自動的に再度ワーク質量の推定を実行するように構成しても良い。
ワーク質量を推定する際、Ｘ軸モータ８の加速度と出力トルクとは、加速過程と減速過程において、任意の速度のときに１回ずつ取得してワーク質量を求めるようにしても良い。また、テーブル３の粘性抵抗、摺動抵抗を用いて前記（３）式または（４）式によってワーク質量を求めるものであっても良い。
ＮＣ制御装置２１に外部記憶装置、例えばハードディスクを接続し、このハードディスクにワーク質量を推定するための制御プログラムを格納するようにしても良い。そして、ワーク質量推定モードになると、ＮＣ制御装置２１のＣＰＵ２２がハードディスクの制御プログラムを読み出してＲＡＭ２４に書き込むことによって当該制御プログラムを実行するように構成しても良い。
ワーク質量が最大許容ワーク質量を超えていた場合、ブザー（通知手段）で報知するようにしても良い。
ＮＣ制御機器は、ＮＣ制御工作機械に限られず、搬送装置、ロボットなどであっても良い。

本発明の一実施形態を示すもので、テーブルの直線移動構成を示す断面図 ＮＣ制御工作機械の概略を示す側面図 モータ制御部のサーボアンプの構成を示すブロック図 ＮＣ制御工作機械の制御構成を示すブロック図 ワーク質量推定時の制御内容を示すフローチャート 表示装置の表示の一例を示す図 台形速度パターンにおける加減速時の速度とトルクの関係を示す特性図

図面中、２はサドル、３はテーブル（移動体）、８はＸ軸モータ（駆動手段）、１１はボールねじ機構、１７は表示装置、１８はスイッチ、１９はタッチパネル、２０は入力装置（操作手段）、２１はＮＣ制御装置（ワーク質量推定手段、制御手段）、２３はＲＯＭ（記録媒体）、２６はモータ制御部、３１はロータリエンコーダ（位置検出手段）を示す。

Claims (3)

1. ワークを移動させる移動体がサドルにおける一端側から他端側へ移動可能に設けられたＮＣ制御機器であって、
   前記移動体を移動させるための駆動手段と、
   前記駆動手段により前記移動体が所定の長距離移動される時、前記駆動手段の出力の情報と加速度の情報とに基づいて前記ワークの質量を推定するワーク質量推定手段と、
   前記ワーク質量推定手段による前記ワークの質量の推定を開始させる操作手段と、
   前記サドルにおける前記移動体の位置を検出する位置検出手段と、
   前記ワーク質量推定手段に前記ワークの質量を推定させる制御手段とを備え、
   前記制御手段は、
   前記操作手段が操作されたとき、前記位置検出手段により検出された前記移動体の位置を取得して、前記移動体が前記サドルの一端側の位置にあるか否かを判断し、
   前記移動体が前記サドルの一端側の位置にある場合には、前記駆動手段を制御することにより、前記サドルの一端側の位置を前記所定の長距離移動の出発位置として、当該出発位置から前記他端側の所定位置まで前記移動体を前記所定の長距離移動させて、前記ワーク質量推定手段に前記ワークの質量を推定させ、
   前記移動体が前記サドルの一端側の位置にない場合には、前記駆動手段を制御することにより、前記移動体を前記サドルの一端側の位置に移動させ、その後、前記サドルの一端側の位置を前記所定の長距離移動の出発位置として当該出発位置から他端側の所定位置まで、前記移動体を前記所定の長距離移動させて、前記ワーク質量推定手段に前記ワークの質量を推定させる
   ことを特徴とするＮＣ制御機器。
2. 前記ワーク質量推定手段により推定された前記ワークの質量が予め定められた値を超えていたとき、前記ワーク質量推定手段による前記ワークの質量の推定を再度自動的に行うことを特徴とする請求項１記載のＮＣ制御機器。
3. サドルにおける一端側から他端側への移動が可能に設けられた移動体を備えるＮＣ制御機器のコンピュータによって、前記移動体により移動されるワークの質量を推定するための制御プログラムを記録した記録媒体であって、
   前記制御プログラムは、前記ワークの質量の推定を開始させるための操作手段が操作されたとき、
   前記移動体が前記サドルの一端側の位置にある場合には、前記移動体の駆動手段を制御して、前記サドルの一端側の位置を所定の長距離移動の出発位置として、当該出発位置から前記他端側の所定位置まで前記移動体を前記所定の長距離移動させ、その所定の長距離移動時に前記駆動手段の出力の情報と加速度の情報を取得し、この出力の情報と加速度の情報から前記ワークの質量を演算し、
   前記移動体が前記サドルの一端側の位置にない場合には、前記移動体の駆動手段を制御することにより、前記移動体を前記サドルの一端側の位置に移動させ、その後、前記サドルの一端側の位置を前記所定の長距離移動の出発位置として当該出発位置から他端側の所定位置まで、前記移動体を前記所定の長距離移動させ、その所定の長距離移動時に前記駆動手段の出力の情報と加速度の情報を取得し、この出力の情報と加速度の情報から前記ワークの質量を演算することを特徴とするワーク質量推定制御プログラムを記録した記録媒体。

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