JP5333905B2 - 工作機械の制御方法及び制御装置 - Google Patents
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Description
また、同様にギヤシェーパ加工においても、歯車を形成するためのワークに対してギヤシェーピングカッタ等をその軸方向(Z軸方向)に早送りまたは切削送り(高送り加工)で往復動させることで、ワークの外周面または内周面に歯形を形成し、順次切り込み深さを大きくすることでギヤ加工するようにしている。
このような早送りまたは切削送り(高送り加工)による往復動を長時間繰り返して切削加工するワークの加工方法をハイサイクル加工という。
ハイサイクル加工はサーボモータ等のモータにかかる負荷が大きく、オーバーヒートし易く過負荷になり易いという不具合がある。モータが過負荷にならないで駆動できるための条件・指標として二乗平均トルクがある。二乗平均トルクがモータの定格トルク以内であれば連続して切削加工ができる。二乗平均トルクを考慮したモータの駆動制御装置や制御方法として、例えば下記特許文献1乃至3に記載されたものがある。
特許文献1に記載された制御装置は、パンチングプレス機の制御装置に関するものであり、金型交換時にモータの駆動によりワークを支持する移動テーブルをモータ駆動により退避させる際、モータの二乗平均トルクがそのモータの定格トルクを越えない範囲で、ワークの通常加工時の移動テーブル移動最高速度より高速に設定し、この設定速度で移動テーブルを退避させる。これにより、金型交換時間を短くできるとしている。
特許文献3に記載された制御装置は、ロボットの質量配分と加減速パラメータを基本パラメータ、動作デューティ等の動作条件から制約条件を満足し、制約条件余裕により表現される評価関数を最大化するように決定してロボットアームの動力学的干渉を軽減する。モータ所要平均トルク・所要平均速度の関係を考慮してそれらの余裕が最大となるように決定して質量配分を行うとしている。
本発明によれば、二乗平均トルクがモータの定格トルクを越えた場合、モータの「過負荷デューティ特性」のテーブルに基づいて定格トルクを越える二乗平均トルクでオーバーヒートせず過負荷にならないで切削可能な負荷時間を算出し、この負荷時間の範囲内で定格トルクを越えるトルクで切削することができる。
また、工具による切削を停止させた状態で、再開スイッチがONの場合、非切削時間が経過した後で切削加工を再開できる。
また、モータの二乗平均トルク、ピークトルク、及びこれらの定格トルクに対する比率、負荷時間をディスプレイに表示することが好ましく、これによって作業者による工作機械の操作を支援できる。
なお、「過負荷デューティ特性」テーブルは、モータの定格トルクに対する二乗平均トルクの比率をトルクパーセントとし、トルクが定格トルクを越えた時間T1と切削しない非切削時間T2とした場合に、デューティを{T1/(T1+T2)}×100で設定して、定格トルクを越えた複数のトルクパーセントに対してそれぞれデューティを設定して工具で切削可能な負荷時間を測定して記憶したものである。
図1乃至図7は本発明の実施形態に先立つ先行技術を示すものであり、図1は工作機械の制御装置の要部構成を示す図、図2は制御装置の演算指令部に含まれるワーク切削制御のための機能ブロック図、図3は主軸に装着したドリルでワークの深穴加工を行う工程を示す説明図、図4はドリルでワークを穴加工した際におけるトルクと切削時間との関係を示す波形図、図5は主軸の回転速度とトルクの関係において連続切削と断続切削との領域を示す速度−トルク特性の図、図6はドリルを早送りする際におけるトルクと時定数との関係を示す「トルク−時定数」テーブルの図、図7はドリルの穴加工時におけるサーボモータの二乗平均トルク算出方法を示すフローチャート、図8は早送り時定数を変更する方法を示すフローチャートである。
図1に示す工作機械1は、主軸2に工具3としてドリル3A(またはギヤシェーピングカッタ等)を装着してワークWに穴加工(またはギヤシェーパ加工)を行うものである。図1に示す工作機械1において垂直軸をY軸とし、Y軸に直交する水平面内において横方向をX軸、X軸に直交する縦方向をZ軸とする。主軸2に装着されたドリル3AはワークWに対してZ軸方向に相対的に進退して穴加工するものとする。工作機械1にはドリル3Aを主軸2の中心軸線周りに回転切削しつつZ軸方向に早送りまたは切削送りするためのサーボモータMが駆動源として装着されている。
制御装置7は、NC装置5との間でデータを送信及び受信するデータ送受信部9と、後述する「トルク−時定数」テーブルD1や「過負荷デューティ特性」テーブルD2やドウェルタイム演算手段等の各種のデータを記憶するメモリ10と、入力される工具3やモータMのデータ、トルク、メモリ10に記憶されているトルク−時定数テーブルD1等の各種データに基づいてサーボモータMの二乗平均トルク(デューティ値)、早送り時定数、或いはドウェルタイム(休止時間)等を演算してサーボモータMの駆動を制御する演算指令部11が設けられている。
制御装置7において、演算指令部11にはディスプレイ13が接続されており、演算されたサーボモータMの二乗平均トルク、ピークトルク(最大トルク)、二乗平均トルクと定格トルクとの比率、ピークトルクと定格トルクとの比率等を表示する。また、演算指令部11には機能スイッチ入力部14が接続されており、早送り時定数の変更を可能状態にする(早送り)時定数変更スイッチ15、ドウェルタイムの変更を可能状態にするドウェルタイム変更スイッチ16、サーボモータMの再開スイッチ17が設けられている。
図3に示す例では、ドリル3AをワークWの加工穴外部の基準位置RからZ軸方向に送ってワークWを距離Qだけ部分的に切削し、一部の穴加工を施してドリル3Aを基準位置Rに戻す。この1回の往復動(工程)を1サイクルとして繰り返して段階的に加工穴を深くし、例えば4回のステップで所要の深穴加工を完了する。
図4において、ドリル3Aの1回の往復動を1サイクルとし、1サイクルの時間T(sec)における各微少(切削)時間Δt1、Δt2、…毎にサーボモータMにかかるトルクをA1、A2、…とした場合、サーボモータMの二乗平均トルクTrmsは次の式で求められる。
Trms=√{(A12Δt1+A22Δt2+……)/T} ……(1)
二乗平均トルクTrmsはトルクと時間の積(面積)であり、多種多数のパターンが想定される。二乗平均トルクTrmsがサーボモータMの定格トルク以下であれば連続して加工を行える。しかし、二乗平均トルクTrmsがサーボモータMの定格トルクを越える場合にはオーバーヒートになり、過負荷になり易い。
一方、トルクが定格トルクを越える場合や回転数が2000min−1を越える場合、オーバーヒートを防止するためには断続切削で穴明け加工可能であり、これを断続動作領域とする。この場合、回転数が1000min−1以下であると、トルク130Nmで穴加工可能であるが、回転数が1000min−1を越える場合には回転数の増大につれてトルクは130Nmから次第に減少させることになる。
先ず、ドリル3Aによる穴加工切削を行うためのサーボモータMの駆動条件として二乗平均トルクの算出手順について図7により説明する。
ドリル3Aを基準位置RからZ軸方向に送って1回の往復動による穴加工を行い、基準位置Rに戻す動作を1サイクルとして、例えば4段階で穴明けを完了する(図3参照)。そして、トルク検出センサ6で測定した微少(切削)時間Δt1、Δt2、…当たりの各トルクの測定値A1、A2、…(図4参照)を順次読み込み(ステップ101)、NC装置5を介して制御装置7のデータ送受信部9に送信して、演算指令部11で各トルクの二乗平均トルクと微少時間の積を算出する(ステップ102)。
そして、微少時間−トルクの積、トルクが定格トルクを越えた時間の積算(T1)、非切削状態を示す基準トルク以下の時間の積算(T2)を行い(ステップ105)。その後、上述の積算を全て終了させた場合には積算エンド指令を出力し、積算エンド指令がない場合には上述の積算を全て終了させていないと判定して、ステップ101に戻る(ステップ106)。
Trms=√{(A12Δt1+A22Δt2+……)/T} ……(1)
この二乗平均トルクTrmsやピークトルクと定格トルクとの比を算出して(ステップ109)、ディスプレイ画面13にそれぞれ表示する(ステップ110)。
図8において、作業者の操作により早送り時定数変更スイッチ15がON状態か否かを判断する。NOである場合には時定数を変更する処理を行わず終了し、YESである場合には時定数の変更処理を行う(ステップ201)。後者の場合、先ずメモリ10から二乗平均トルクTrmsを演算指令部11に読み込み(ステップ202)、図6に示す「トルク−時定数」テーブルを読み込む(ステップ203)。
そして、工作機械1における、二乗平均トルクTrmsが定格トルク以下か否かを判別し(ステップ204)、YESの場合には連続切削可能であるから時定数変更プログラムを終了する。NOの場合には、図4に示す微少時間とサーボモータMのトルクとの関係を特定するドリル切削を行った際の(現状の)時定数を旧時定数として読み込む(ステップ205)。次いで、図6に示すトルク−時定数」テーブルから上述した実測値に基づく二乗平均トルクTrmsに対応する時定数を新時定数として算出する(ステップ206)。
一方、新時定数の方が大きい場合には、サーボモータMの負荷が減少してオーバーヒートをなくすことができるから、サーボモータMの新たな時定数を、より間隔の長い新時定数に変更し(ステップ207)、これをディスプレイ13画面に表示する(ステップ208)。
そして、得られた新たな時定数を制御装置7のデータ送受信部9からNC装置5に入力して、この新たな時定数に基づいて駆動指令を送信してサーボモータMを駆動制御する。即ち、複数段階、例えば4段階に分割してドリル3Aを早送り切削する際に、二乗平均トルクTrmsが定格トルクを越える場合に、時定数を従来よりも長くして定格トルク以内に制御し、ドリル3Aを順次早送り切削してワークWを穴明け加工する。これによってサーボモータMのオーバーヒートをなくし、過負荷を防止するように制御した。
また、本先行技術のような工作機械1の制御装置7や方法はハイサイクル加工であるために長時間の使用ではオーバーヒートを起こし過負荷となり易いが、時定数を変更することによって二乗平均トルクを定格トルク以内に制御して確実にオーバーヒートや過負荷を防止できる。そのため、時定数を短くするような制御の場合には、時定数の変更を停止させることでオーバーヒートや過負荷を抑止できる。
また、二乗平均トルク、ピークトルク(最大トルク)及びこれらトルクの定格トルクに対する比率、そして新時定数をディスプレイ画面13に表示することで作業者に情報を提供して作業の助けとすることができる。
以下、第二の先行技術による工作機械の制御装置及び制御方法について図1、図9乃至図11に基づいて説明する。
第二の先行技術における工作機械1の制御装置7及び制御方法は、ドリル3Aの深穴加工に代えてギヤシェーパによるギヤシェーピング加工に関するものである。
図9(a)及び(b)において、パレットに保持されたワークWの内面に円形の下穴w1を加工し、主軸2に装着された工具3としてギヤシェーピングカッタ3Bを下穴w1の内面に切り込みつつZ軸方向に往復動させることで、ギヤシェーピング加工を行うものである。ギヤシェーピング加工に際して、ギヤシェーピングカッタ3BをZ軸方向に例えばF10〜15m/minの送り速度で往復動させてワークWの下穴w1の内面に切り込み、主軸2の中心軸線周りに自転させながら下穴w1の内面に沿って公転させる。そして下穴w1の内面に対するギヤシェーピングカッタ3Bの内面への切り込み量を徐々に深くしていくことで歯を形成し、ギヤ加工を行うことになる。
Td={(A12Δt1+A22Δt2+……)/Tcon}−T……(2)
但し、Tcon:サーボモータMの定格トルク
なお、定格トルクTconは安全を考慮して定格トルクの90%にする等の考慮を加える。
演算指令部11に接続された機能スイッチ入力部14には、(早送り)時定数変更スイッチ15、ドウェルタイムの変更を可能状態にするドウェルタイム変更スイッチ16、再開スイッチ17等が設けられている。
先ず、図1に示す制御装置7において、ドウェル変更スイッチ16がONか否かを判別し(ステップ301)、NOである場合にはドウェルタイムの変更を行わず終了する。ドウェル変更スイッチ16がONである場合には、上述したメモリ10から、ギヤシェーピング加工において予め設定した(図7に示すフローチャートで算出した)二乗平均トルクTrmsを読み込み、演算指令部11に読み込む(ステップ302)。更にギヤシェーピング加工1サイクルの予め設定された1サイクルのトータル時間Tを読み込む(ステップ303)。
そして、二乗平均トルクTrmsがサーボモータMの定格トルク以内か否かを判別する(ステップ304)。二乗平均トルクTrmsが定格トルク以内であればドウェルタイムを変更する必要なく連続して切削加工できるので、ドウェルタイムの変更制御を終了する。二乗平均トルクTrmsが定格トルクを越える場合には、演算指令部11内のドウェルタイム変更手段11cにおいて上記(2)式のドウェルタイムTdの計算式によって新たなドウェルタイムTdを算出する(ステップ305)。
そして、先の定格トルクを越える二乗平均トルクTrmsにおける旧のドウェルタイムと新たに演算したドウェルタイムTdとを比較する(ステップ307)。そして、旧のドウェルタイムの方が長い場合には新のドウェルタイムTdに変更すると二乗平均トルクTrmsが定格トルクよりも更に大きくなり切削送りが加速されて過負荷になるため、ドウェルタイムの変更を終了する。
一方、新のドウェルタイムTdの方が旧のドウェルタイムより長い場合には新のドウェルタイムに変更することで(ステップ308)、二乗平均トルクTrmsを定格トルク以下に抑える。換言すれば、新のドウェルタイムTdは二乗平均トルクを定格トルク内に収めるように調整できる値に変更するものである。そして、新たなドウェルタイムTdをディスプレイ13に画面表示する(ステップ309)。
そして、得られた新たなドウェルタイムを制御装置7のデータ送受信部9からNC装置5に入力して、この新たなドウェルタイムに基づいて駆動指令を送信してサーボモータMを駆動制御する。即ち、ワークWの下穴w1内面へシェーピングカッタ3Bを第一段階の切り込みを行い、切削送りしつつシェーピングカッタ3Bを自転及び公転させる。
第一段階の加工終了後にワークWから外れた基準位置Rにギヤシェーピングカッタ3Bを戻し、ドウェルタイムの間休止させる。次に新たなドウェルタイム経過後に、下穴w1内面への切り込みを更に深くして同様に切削送りする。このようにして、複数段階に分けてワークWの下穴w1内面への切り込みを順次深くしつつ切削送りすることで内面にギヤ加工を行う。
これによってサーボモータMのオーバーヒートを防止して過負荷をなくすように制御した。
また、本先行技術のような工作機械1の制御装置7や方法はハイサイクル加工であるために長時間の使用ではオーバーヒートし過負荷になり易いが、ドウェルタイムを長く変更することによって確実にオーバーヒートや過負荷を防止できる。また、ドウェルタイムだけでなく、二乗平均トルク、ピークトルク(最大トルク)、これらのトルクと定格トルクとの比率、をディスプレイ13に表示することで作業者に情報を提供して作業の助けとすることができる。
実施形態における工作機械1の制御装置7及び制御方法は、第一先行技術と同様にドリル3Aの深穴切削による穴加工に関するものである。
本実施形態では、例えばドリル3Aによる深穴加工に関するものであり、繰り返し穴明け加工を行う際、工具摩耗等の原因によって途中でモータトルクが上昇して定格トルクを越えてしまった場合、図12に示す過負荷デューティ特性のテーブルに基づいて残りの定格トルクを越えた状態での切削時間をディスプレイに表示すると共に、サーボモータMが過負荷になる前に深穴ステップ加工サイクルの戻り位置Rでドリル3Aを停止させると共に、再開スイッチ17がONの場合に、非切削時間の間停止後に切削加工を再開させて過負荷を回避するようにしたものである。
本実施形態による制御装置7における演算指令部11には、図13に示すように二乗平均トルク算出手段11aと、「過負荷デューティ特性」のテーブルD2に基づいて定格トルクを越えた状態での切削時間を設定する切削制御手段11dとが設けられている。
ここで、トルクパーセントは、サーボモータMについて、(1)式によって演算した二乗平均トルクTrmsが定格トルクを越えた場合の割合を示すものであり、[二乗平均トルクTrms/定格トルク]によって、例えば110%、120%、130%、140%、150%、170%、210%、MAXと設定する。そして、定格トルクを越えて切削する時間をT1、過負荷を防ぐために切削しない非切削時間をT2とすると、デューティ(時間%)={T1/(T1+T2)}×100によって算出される。
このように設定した各トルクパーセントのデューティ(時間%)に対してドリル3による穴加工切削を行い、定格トルクを越えていて過負荷にならずに切削できる時間を負荷時間として測定し、図13に示すテーブルD2を作成した。この「過負荷デューティ特性」テーブルD2に基づいて深穴加工を繰り返して行った場合の過負荷を回避する加工制御方法について説明する。
先ず、図1に示す制御装置7において、先に作成した図12に示す「過負荷デューティ特性」テーブルD2をメモリ10に読み込む(ステップ401)。そして、ワークWの深穴加工が完了したか否かを判別し(ステップ402)、NOの場合には二乗平均トルク算出のために、ドリル3による穴加工におけるトルクとその微少時間を読み込み(ステップ403)、トルクと微少時間の積を演算する(ステップ404)。
そして、読み込んだトルクとその微少時間からサーボモータMの定格トルクを越えた時間を積算し(定格トルクを越えた時間T1)、基準トルク以下の切削しない時間を積算する(非切削時間T2)。次いで、これらの入力データから二乗平均トルク、二乗平均トルクと定格トルクとの比、トルクパーセントを算出し(ステップ406)、これらをディスプレイ13に表示する(ステップ407)。
そして、前回の加工に要したワンショット分の負荷時間を減算した残りの負荷時間を演算し(ステップ410)、この残りの負荷時間をタイマでタイマカウントする(ステップ411)と共にディスプレイ13に表示する(ステップ412)。残りの負荷時間が残っている場合にはステップ401に戻って更に深穴加工を行い、演算した負荷時間を全て消費した場合にはドリル3をR点位置(図3参照)に戻して(ステップ413、414)ドリル3の切削送りを停止させる(ステップ415)。
また、ドリル3Aやギヤシェーピングカッタ3B等の工具の駆動源としてサーボモータMを用いたが、サーボモータに限定されることなく他のモータ等を用いてもよい。
2 主軸
3 工具
3A ドリル
3B ギヤシェーピングカッタ
7 制御装置
10 メモリ
11 演算指令部
11a 二乗平均トルク算出手段
11b 早送り時定数変更手段
11c ドウェルタイム変更手段
11d 切削制御手段
13 ディスプレイ
14 機能スイッチ入力部
15 早送り変更スイッチ
16 ドウェルタイム変更スイッチ
17 再開スイッチ
M サーボモータ
Claims (5)
- 工作機械の主軸に装着された工具によってワークを切削加工するようにした工作機械の制御方法において、
実際に切削する工具の駆動源であるモータのトルクと当該トルクを生じる微少切削時間との積算を行って二乗平均トルクを算出し、
前記モータの二乗平均トルクが定格トルクを越えた場合の定格トルクに対する割合をトルクパーセントとして、モータのトルクが定格トルクを越えた時間T1と過負荷を防ぐために切削しない非切削時間T2とした場合に、デューティを{T1/(T1+T2)}×100で設定して、定格トルクを越えた複数のトルクパーセントに対してそれぞれデューティを設定し、これらデューティに対して工具で過負荷にならずに切削可能な時間をそれぞれ負荷時間として記憶したものを「過負荷デューティ特性」テーブルとし、
前記二乗平均トルクが前記モータの定格トルクを越えた場合、モータの「過負荷デューティ特性」のテーブルに基づいて定格トルクを越える二乗平均トルクで過負荷にならずに切削可能な負荷時間を算出し、該負荷時間の範囲内で定格トルクを越えるトルクで切削するようにしたことを特徴とする工作機械の制御方法。 - 前記負荷時間が経過した過負荷前の時点で、工具による切削を停止させるようにした請求項1に記載された工作機械の制御方法。
- 前記工具による切削を停止させた状態で、再開スイッチがONの場合、所定の切削停止時間が経過した後で切削加工を再開するようにした請求項2に記載された工作機械の制御方法。
- 前記モータの前記二乗平均トルク、ピークトルク、及びこれらの定格トルクに対する比率、前記負荷時間をディスプレイに表示するようにした請求項1乃至3のいずれかに記載された工作機械の制御方法。
- 工作機械の主軸に装着された工具によってワークを切削加工するようにした工作機械の制御装置において、
主軸に装着された工具を駆動するモータと、該モータの切削によるトルクを測定するトルク検出センサと、
後記二乗平均トルクが前記モータの定格トルクを越えた場合の定格トルクに対する割合をトルクパーセントとして、モータのトルクが定格トルクを越えた時間T1と過負荷を防ぐために切削しない非切削時間T2とした場合に、デューティを{T1/(T1+T2)}×100で設定して、定格トルクを越えた複数のトルクパーセントに対してそれぞれデューティを設定し、これらデューティに対して工具で過負荷にならずに切削可能な時間をそれぞれ負荷時間として記憶した「過負荷デューティ特性」テーブルを記憶するメモリと、
前記トルクと当該トルクを生じる微少時間との積算を行って前記二乗平均トルクを算出する二乗平均トルク算出手段と、前記二乗平均トルクが前記定格トルクを越えた場合に前記「過負荷デューティ特性」テーブルによって前記負荷時間を設定して該負荷時間の範囲内で定格トルクを越えるトルクで切削する切削制御手段とを備えた演算指令部と、
前記二乗平均トルクと前記定格トルクに対する二乗平均トルクの比率と前記負荷時間とを表示するディスプレイとを備えたことを特徴とする工作機械の制御装置。
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2008
- 2008-10-22 JP JP2008271610A patent/JP5333905B2/ja active Active
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN108398920A (zh) * | 2017-02-06 | 2018-08-14 | 发那科株式会社 | 伺服控制装置 |
CN108398920B (zh) * | 2017-02-06 | 2019-07-12 | 发那科株式会社 | 伺服控制装置 |
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JP2010102416A (ja) | 2010-05-06 |
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