JP5739501B2 - 工作機械 - Google Patents

Description

本発明は、工作機械に関し、特に工具の着脱が可能な主軸頭を備え、該主軸頭をモータによって移動させて加工を行う工作機械に関する。

種々の工具を交換把持して移動する部材においては、工具の重量によって慣性が異なり動作制御に影響を与えることから、工具の重量に応じて工具交換装置や主軸の動作速度を変更する機能を有する工作機械が知られている。こうした機能により、最適な速度で機械を動作させることによって、機械への衝撃やモータの発熱を抑えつつ、十分な速度で工作機械を稼動することを可能としている。しかし従来、工具重量のデータは作業者が直接打ち込んだり、あらかじめ用意されたデータを転送したりするなどして工作機械の制御装置に入力することが主であった。

しかし、作業者が直接工具重量を入力することは、入力ミスという問題が生じることから、入力ミス防止等のために、工具重量を入力することなく、工作機械側で重量等を検出する技術が知られている。
特許文献１には、交換アーム方式の工具交換装置において、交換アームで把持した工具の重量によってイナーシャが変わることから、工具を把持した交換アームを回転させるのに必要な駆動トルクを検出し、該駆動トルクから工具の重量を推定して、それに基づいて交換アームの動作速度を自動設定することで、工具交換時間の短縮を図った技術が記載されている。
また、特許文献２では、予め設定されている工具の慣性モーメントに対す主軸の許容回転数を定めておき、工具交換後、主軸の駆動モータに一定電力を供給し、電力の供給を開始した時点から主軸の回転速度が設定値に上昇するまでの立上り時間を求め、該求めた時間に基づいて工具装着時の主軸の慣性モーメントを算出し、この慣性モーメントに対する許容回転数とプログラムで指定された回転速度とを比較し、指定された回転速度の可否を判断するようにした発明が記載されている。

さらに、特許文献３では、磁気軸受を用いた主軸ヘッドにおいて、磁気軸受に供給される電流値をもとに主軸に装着された工具の重量を推定し、この推定工具重量より主軸の限界回転数を決定するようにした発明が記載されている。

特開平１１−１８８５５７号公報 特許第３１８７４８５号公報 特開２０００−３４３３７９号公報

工具を交換可能にした主軸では、把持した工具の重量によって、主軸の回転速度や主軸頭の移動速度等に制限を受ける。そのため、主軸が把持する工具の重量を入力し、最適な移動速度で制御できるようにすることが望ましい。また、この工具重量の入力ミスを防止するために工具重量を自動的に判別できるようにすることが望ましい。
先行技術文献の特許文献１に記載の技術では、アーム式の工具交換装置において、工具を把持した交換アームを回転させるのに必要な駆動トルクを検出し、該駆動トルクから工具の重量を推定しているが、この特許文献１に記載された技術では、アーム式の工具交換装置を有する工作機械にしか採用できない。

また、先行技術文献の特許文献２に記載の技術は、工具の慣性モーメントを推定することにより、重い工具が主軸に取り付けられている際に、主軸の能力を超えた高速回転を防止することに効果を有する。しかし、この技術は主軸の慣性モーメントしか推定できないため、工具交換動作や主軸頭の移動動作を工具重量に応じて最適化することには利用できないという問題があった。
さらに、先行技術文献の特許文献３に記載された技術は、主軸に装着された工具の重量を推定しているが、磁気軸受に供給される電流値をもとに主軸に装着された工具の重量を推定するものであることから、磁気軸受を使用した主軸頭を有する工作機械のみに適用されるもので、磁気軸受を使用しない工作機械には適用できないものである。

そこで、本願発明の目的は、工具の着脱が可能な主軸頭をモータによって移動させて加工を行う工作機械において、工具重量データの直接入力を必要とせず、主軸に装着された工具重量を工作機械側で推定できる工作機械を提供することにある。

本願の請求項１に係る発明は、工具の着脱が可能な主軸頭と、該主軸頭を駆動する主軸頭駆動用モータを備えた工作機械において、前記主軸頭駆動用モータに加わる負荷トルクを検出する負荷トルク検出手段と、主軸頭に装着した物の重量と、所定の駆動条件の下で主軸頭駆動用モータにかかる負荷トルクとの関係を、重量の異なる複数の物に対してあらかじめ求めて装着物重量と負荷トルクとの関係データとして格納されたデータ格納手段と、前記工具が主軸頭に装着されている際に、前記所定の駆動条件の下で前記負荷トルク検出手段で主軸頭駆動用モータの負荷トルクを検出し、該検出した負荷トルクと前記データ格納手段に格納された装着物重量と負荷トルクの関係データから前記主軸頭に装着されている工具の重量を推定する工具重量推定手段とを備えることによって、主軸頭に装着された工具の重量を工作機械自体で推定できるようにした。

請求項２に係る発明は、工具の着脱が可能な主軸頭と、該主軸頭を駆動する主軸頭駆動用モータを備えた工作機械において、前記主軸頭駆動用モータに加わる負荷トルクを検出する負荷トルク検出手段と、
所定の駆動条件の下での前記主軸頭に装着されている工具重量と主軸頭駆動用モータにかかる負荷トルクとの間の関係式を用い、前記所定の駆動条件の下で前記負荷トルク検出手段で検出された負荷トルクより主軸頭に装着されている工具の重量を算出して推定する工具重量推定手段とを備えることによって、主軸頭に装着された工具の重量を工作機械自体で推定できるようにした。

請求項３に係る発明は、請求項１に係る発明において、負荷トルクの代わりに駆動電流を用いるもので、前記負荷トルク検出手段の代わりに、主軸頭駆動用モータの駆動電流値を検出する駆動電流検出手段を設け、前記負荷トルクの代わりに主軸頭駆動用モータの駆動電流を求め、装着物重量と負荷トルクとの関係データの代わりに、装着物重量と駆動電流値との関係データを前記データ格納手段に格納し、前記工具重量推定手段は、装着物重量と駆動電流値との関係データと駆動電流検出手段で検出された駆動電流値より前記主軸頭に装着されている工具の重量を推定するようにしたものである。

請求項４に係る発明は、請求項２係る発明において、負荷トルクの代わりに駆動電流を用いるもので、
前記負荷トルク検出手段の代わりに、主軸頭駆動用モータの駆動電流値を検出する駆動電流検出手段を設け、工具重量推定手段は、工具重量と負荷トルクとの間の関係式の代わりに工具重量と駆動電流値の間の関係式を用い、該関係式と前記駆動電流検出手段で検出した駆動電流値によって前記主軸頭に装着されている工具の重量を推定するようにした。

請求項５に係る発明は、請求項２に係る発明を、鉛直方向に駆動される主軸頭と、該主軸頭を駆動する手段としてボールネジ／ナット機構を有する工作機械に適用した発明で、前記工具重量推定手段は以下の関係式
ｍ＝2πηＴ / ｇ Ｌ Z -Ｍ
（ただし、Ｔ：主軸頭停止時の主軸頭駆動モータの負荷トルク、Ｍ：主軸頭の重量、Z：主軸頭駆動モータとボールネジとの間の減速機構の減速比、Ｌ：ボールネジのリード、η：ボールネジの効率、ｇ：重力加速度）
により、主軸頭停止時の主軸頭駆動用モータの負荷トルクから工具重量ｍを算出して推定するようにした工作機械である。

請求項６に係る発明は、請求項１乃至５記載の発明を、主軸頭に対して着脱される複数の工具を保持し工具番号で管理する工具マガジンを備えた工作機械に適用したもので、さらに、前記工具重量推定手段により推定した工具重量を、前記工具が工具マガジンに収納されたとき工具番号と対応させて記憶させる工具記憶手段を設けることによって、工具番号ごとの工具重量データを直接入力することなく作成可能とした。

請求項７に係る発明は、請求項２、請求項５に係る発明に、さらに、あらかじめ重量の分かっている工具を装着し、前記所定の駆動条件の下で主軸頭駆動用モータにかかる負荷トルクを前記負荷トルク検出手段で検出し、装着した工具重量と検出した負荷トルクとによって、工具重量負荷トルクとの間の関係式を補正する補正手段を備えるものとし、工作機械の経年変化で主軸頭駆動機構が劣化して関係式にずれが生じる場合にもこの関係式を補正することができるようにした。

請求項８に係る発明は、請求項４に係る発明に、さらに、あらかじめ重量の分かっている工具を装着し、前記所定の駆動条件の下で主軸頭駆動用モータの駆動電流値を前記駆動電流検出手段で検出し、工具重量と検出した駆動電流値によって、工具重量と駆動電流値との間の関係式を補正する補正手段を設けることによって、工作機械の主軸頭駆動機構の劣化による関係式の定数のずれを補正することができるようにした。

請求項９に係る発明は、請求項１〜８に係る発明に、さらに、あらかじめ重量の分かっている工具を装着した際に、前記工具重量推定手段を用いて前記工具重量を推定し、実際の工具重量との差を求めて比較する重量比較手段と、前記重量の差が一定値以上の場合に、メッセージを表示する表示機能あるいは警告を発生するアラーム手段を備えるものとして、主軸頭の駆動系の異常を検出できるようにした。

請求項１０に係る発明は、請求項６に係る発明に、さらに、工具マガジンから取り出し主軸頭に装着して、前記工具重量推定手段を用いて推定した工具重量の値と、前記工具重量データ格納手段に格納されている当該工具の重量の差を求めて比較する重量比較手段と、前記重量の差が一定値以上の場合にメッセージを表示するメッセージ表示機能あるいは警告を発生するアラーム機能を備えるものとし、工具の新しいものへの交換を知らせることができるようにした。

請求項１乃至５に係る発明及び請求項１０に係る発明は、主軸頭駆動用モータの負荷トルク、もしくは駆動電流から工具重量を推定することができるので、工具重量を直接入力する必要がなく入力ミスがなくなり、工具重量に応じて主軸頭の動作を適切に設定できる。
また請求項６に係る発明は、さらに、工具番号ごとの工具重量データを直接入力することなく作成が可能となり、工具の配置と工具重量に応じて工具交換装置の動作を適切に設定できる。
請求項７、請求項１０に係る発明は、工具重量と主軸頭駆動用モータの負荷トルクまたは駆動電流との間の関係式を補正することができ、主軸頭駆動機構が劣化して関係式にずれが生じる場合にも正確な工具重量の算出ができる。請求項８に係る発明は、主軸頭に装着された装着物重量と負荷トルクとの関係データ又は関係式と工具重量推定手段で推定した工具重量により、駆動系の異常を検出して警告を出すことができ、加工不良などの問題が起こる前に駆動系の問題を発見することができる。請求項９に係る発明は、工具の劣化を検出することができ、工具の交換の有無の確認をユーザに対して行って、もし工具の交換がない場合には工具の折損や駆動系の異常の恐れがあることをユーザに知らせることが可能となる。

本発明の第１、第２の実施形態である工作機械の主軸頭および主軸頭駆動機構の概略図である。 本発明の各実施形態における工作機械を駆動制御する制御部のブロック図である。 第１の実施形態における工具重量推定処理のアルゴリズムを示すフローチャートである。 本発明の第３、第４の実施形態における工作機械の主軸頭および主軸頭駆動機構の概略図である。 第３の実施形態における工具重量推定処理のアルゴリズムを示すフローチャートである。

本発明は、簡単な構成の工作機械において、所定の駆動条件の下での主軸頭駆動用モータの負荷トルク又は駆動電流に基づいて、主軸に取り付けられている工具の重量を推定するものである。特に、特別な高価な部品等を使用することなく、工具重量を推定するものである。さらには、この推定した工具重量を工具マガジンにおける工具番号と対応させて記憶させておくことにより、工具交換装置や主軸頭の動作を工具重量に応じて適切に変更することができるようにしたものである。
以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。

〈実施形態１〉
図１は本発明の第１の実施形態である工作機械の主軸頭および主軸頭駆動機構の概略図である。この実施形態では、主軸頭１が主軸頭駆動用モータ(Ｚ軸送り軸サーボモータ)Ａ３によって鉛直方向(Ｚ軸方向)に移動する。主軸頭１は工具把持部２を備えており、工具３の着脱が可能である。主軸頭１はボールネジ／ナット機構４によって上下に移動が可能となっている。ボールネジ／ナット機構４のボールネジは主軸頭駆動用モータＡ３に直接もしくは減速機構を間に介して連結されており、主軸頭駆動用モータＡ３の回転によって主軸頭１が上下に移動することが可能となっている。なお、符号ＳＭは主軸(及び工具)を回転駆動する主軸モータである。

この工作機械において、この第１の実施形態は、主軸頭１の移動を停止状態に保持する主軸頭駆動用モータＡ３の駆動条件の下で工具重量を推定する。主軸頭単体の重量をＭ、工具重量をｍとすると、主軸頭停止時には、ボールネジ／ナット機構４はこれらにかかる重力(Ｍ＋ｍ)ｇを支えている。この時、ボールネジ／ナット機構４の回転を抑えるために主軸頭駆動用モータＡ３には負荷トルクＴがかかる。このため、工具重量ｍが変化すると、主軸頭駆動用モータＡ３の負荷トルクＴも変化する。このことを利用して工具重量を推定する。

あらかじめ、工具重量が異なる何種類かの工具を主軸頭に装着し、そのときの工具重量ｍ₁〜ｍ_nと負荷トルクＴ₁〜Ｔ_nとの関係データを記録しておく。なお、主軸頭に装着するものは工具ではなく重量の異なる複数のダミーを装着してこの関係データを採取してよいものである。以下この関係データを装着物重量と負荷トルクとの関係データという。工具重量を推定する際には、まず、実際の負荷トルクＴを検出する。次に装着物重量と負荷トルクとの関係データを参照し、それらのデータの中から実際の負荷トルクＴに最も近い負荷トルクＴ_ｉを選び出して、それに対応する（工具）重量ｍ_ｉを工具重量の推定値ｍとする。また、装着物重量と負荷トルクとの関係データにある検出した負荷トルクＴの上下の負荷トルクから補間して工具重量を求めてもよい。

なお、この第１の実施形態においては、主軸頭が鉛直方向に駆動される場合を例としたが、本発明の範囲はこれに限らない。主軸頭の移動方向が水平方向以外で傾いていても適用できるもので、水平方向以外であれば、主軸頭停止時には、装着された工具の重量に応じて、主軸頭を停止保持するために主軸頭駆動用モータＡ３には負荷がかかるため、主軸に装着した各種工具（又はダミー）の重量ｍ₁〜ｍ_nとそのとき主軸頭駆動用モータＡ３にかかる負荷トルクＴ₁〜Ｔ_nの関係データ(装着物重量と負荷トルクとの関係データ)を記録しておき、この記憶したデータと検出した負荷トルクＴによって工具重量が推定できる。

図２は、この第１の実施形態の工作機械を駆動制御する制御部のブロック図である。
符号１０は工作機械を制御する制御装置としての数値制御装置であり、ＣＰＵ２０は数値制御装置１０を全体的に制御するプロセッサであり、バス２９を介してメモリ２１、インタフェース２２、２３、各軸制御回路２４、ＰＭＣ(プログラマブル・マシン・コントローラ)２６、主軸制御回路２７に接続されている。

ＣＰＵ２０はメモリ２１内のＲＯＭに格納されたシステムプログラムを、バス２９を介して読み出し、該システムプログラムにしたがって数値制御装置１０全体を制御する。メモリ２１は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性メモリ等で構成され、ＲＯＭにはシステムプログラム等が記憶され、ＲＡＭには一時的計算データや表示データ、表示装置／手動入力ユニット９を介して入力された各種データが格納される。また、不揮発性メモリはバッテリでバックアップされたＳＲＡＭで構成され、本発明に関係して、工具重量を推定するソフトウエアが格納されている。また、前述したように予め測定された負荷トルクＴ₁〜Ｔ_nと工具重量ｍ₁〜ｍ_nの関係データ（装着物重量と負荷トルクとの関係データ）が格納されている。

インタフェース２３は外部機器との接続を可能とするものであり、ＰＭＣ２６は数値制御装置１０に内蔵されたシーケンスプログラムで工作機械の工具交換装置等の補助装置に接続されている。

また、インタフェース２２は、液晶やＣＲＴで構成される表示装置とキーボート等で構成される手動入力ユニットからなる表示装置／手動入力ユニット９が接続されている。Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸等の送り軸を制御する各軸の軸制御回路２４_１〜２４_３は、ＣＰＵ２０からの各送り軸の移動指令量を受けて、各送り軸の指令をそれぞれのサーボアンプ２５_１〜２５_３に出力し各送り軸のサーボモータＡ_１〜Ａ_３をそれぞれ駆動する。なお、本第１の実施形態ではＺ軸の送り軸のサーボモータＡ３が主軸頭駆動用モータを構成している。

各軸制御回路２４_１〜２４_３は、サーボモータＡ_１〜Ａ_３に内蔵する位置・速度検出器、及び電流検出器からの位置、速度、電流のフィードバック信号を受け位置、速度、電流のフィードバック制御を行う位置ループ、速度ループ、電流ループの制御部を備え、位置、速度、電流(駆動トルク)を制御するようになっている。
主軸制御回路２７はＣＰＵ２０から主軸回転速度指令を受けて、主軸アンプ２８に主軸速度信号を出力し、主軸アンプ２８は主軸速度信号を受けて、主軸モータＳＭを指令された回転速度(回転数)で回転させ、図示しないポジションコーダからの回転に同期してフィードバックされる帰還パルスを受け、主軸回転速度指令と一致した速度になるように速度のフィードバック制御を行う。

この数値制御装置の構成は、工具重量を推定する機能のソフトウエアとあらかじめ測定された装着物重量(ｍ₁〜ｍ_n)と負荷トルク(Ｔ₁〜Ｔ_n )との関係データがメモリ２１に格納されている以外は、従来の工作機械を制御する数値制御装置の構成と同じである。

図３は、この第１の実施形態における工具重量を推定する機能のソフトウエアである工具重量推定処理のアルゴリズムを示すフローチャートである。
工具把持部２に工具３を装着し、主軸頭の移動が停止している状態で、工具重量推定指令が表示装置／手動入力ユニット９から入力されると、ＣＰＵ２０は、図３に示す処理を開始する。主軸頭駆動用モータ(Ｚ軸モータ)Ａ３軸制御回路２４_３にフィードバックされている電流検出器からの主軸頭駆動用モータ(Ｚ軸モータ)Ａ３の駆動電流を読み取る（ステップａ１）。この読み取った駆動電流より負荷トルクＴを求める（ステップａ２）。この第１の実施形態では、ステップａ１、ステップａ２の主軸頭駆動用モータ(Ｚ軸モータ)Ａ３の駆動電流を読み取り、この駆動電流より負荷トルクＴを求める処理によって、負荷トルク検出手段を構成している。

次に、予め記憶されている負荷トルクＴ₁〜Ｔ_nと工具重量ｍ₁〜ｍ_nの負荷トルクと装着物重量との関係データの中から、求めた負荷トルクＴにもっとも近い負荷トルクＴ_ｉを選び出し、該負荷トルクＴ_ｉに対応する工具重量ｍ_ｉを工具重量の推定値ｍとして求める（ステップａ３）。この第１の実施形態では、このステップａ３の処理によって工具重量推定手段を構成する。次に、求めた推定値ｍを工具重量としてメモリ２１内に記憶し（ステップａ４）、工具重量推定処理を終了する。

なお、この第１の実施形態では、図１に示されるように主軸頭が鉛直方向(Ｚ軸方向)に移動する例であったが、主軸頭の移動方向が傾いている(主軸頭の移動方向が水平方向以外の)傾斜軸の工作機械にも適用できるもので、予めこの傾斜軸の工作機械において主軸頭停止時に装着物重量と負荷トルクとの関係データを求めておきこのデータをメモリ２１に格納しておけばよいもので、この格納された関係データによってステップａ３で工具重量の推定値ｍを求めるようにすればよいものである。

〈実施形態２〉
第１の実施形態では、工具重量ｍ₁〜ｍ_nと負荷トルクＴ₁〜Ｔ_nの装着物重量と負荷トルクとの関係データをメモリ２１に記憶しておき、この装着物重量と負荷トルクとの関係データから主軸に装着された工具の重量ｍを推定したが、負荷トルクＴと工具重量ｍとの関係式から工具重量を推定することもできる。図１に示されるような、主軸頭が鉛直方向に駆動される工作機械において、主軸頭停止時という条件下では、主軸頭駆動用モータＡ３の負荷トルクＴと工具重量ｍとの間に、以下の関係式が成り立つ。

Ｔ＝(Ｍ＋ｍ)ｇＬＺ / 2π …(１)
ここで、
Ｍ；主軸頭の重量
Ｚ；主軸頭駆動用モータとボールネジとの間の減速機構の減速比
Ｌ；ボールネジのリード
η；ボールネジの効率
ｇ；重力加速度
(１)式を変形すると、
ｍ =（2πηＴ /ｇＬ Ｚ）−Ｍ …(２)
Ｍ、Ｌ、Ｚは一定であり、ボールネジの効率ηは長期間使用すると変化するが、ほぼ固定と仮定すると、（2πη / g L Z ）＝Ｋと固定値となり、(２)式は
ｍ＝Ｋ・Ｔ−Ｍ …(３)
となる。
よって、工具を主軸に装着した後、主軸頭停止時の負荷トルクＴを検出して工具重量ｍを算出することができる。
この第２の実施形態の場合、図３に示される工具重量推定処理において、ステップａ３の処理を前記(２)、又は(３)の演算処理に代えるだけでよいものである。

なお、この第２の実施形態の例においては、主軸頭が鉛直方向に駆動される場合を例としたが、本発明の範囲はこれに限らない。主軸の駆動方向が鉛直方向に対して傾いている場合にも、主軸頭及び工具に働く重力の、主軸頭駆動軸方向の成分を用いることで、この方法で工具重量の算出が可能である。

〈実施形態３〉
上述した第１、第２の実施形態は、主軸頭及び工具に働く重力の主軸頭駆動軸方向の成分があることから、主軸頭の移動停止時に主軸頭駆動用モータの負荷トルクを検出して、工具重量を求めるものであったが、主軸頭駆動方向が水平方向である場合には、主軸頭停止時に主軸頭および工具の重力をボールネジが支える必要がないため、上述した主軸頭停止時の工具重量推定方法を用いることが出来ない。そこで、この第３の実施形態は、主軸頭駆動方向が水平方向である場合にも工具重量を推定できるようにしたものであり、この第３の実施形態では、主軸頭駆動時に工具重量を推定するものである。
図４はこの第３の実施形態における工作機械の主軸頭および主軸頭駆動機構の概略図である。この例では、主軸頭１が主軸頭駆動用モータ(この例ではＹ軸の送り軸要サーボモータ)Ａ２によって水平方向に移動する。主軸頭１は工具把持部２を備えており、工具３の着脱が可能である。主軸頭１はボールネジ／ナット機構４によって左右(Ｙ軸方向、水平方向)に移動が可能となっている。ボールネジ／ナット機構４のボールネジは主軸頭駆動用モータＡ２に連結されており、主軸頭駆動用モータＡ２の回転によって主軸頭１の移動が可能となっている。なお、符号ＳＭは主軸モータである。
この第３の実施形態における工作機械の制御装置は第１、第２の実施形態と同様で、図２に示す概要図と同じである。第１、第２の実施形態と相違する点は、主軸頭が水平方向に移動することから、主軸駆動用モータが水平方向への移動軸であるＸ軸又はＹ軸の送り軸駆動用のサーボモータで構成される点であり、図４に示す例ではＹ軸の送り軸用サーボモータＡ２が主軸頭駆動用モータを構成している例を示している。

図４の工作機械において、主軸頭単体の重量をＭ、工具重量をｍとし、主軸頭駆動時のモータの角速度をω、角加速度をαとする。この時、主軸頭駆動用モータＡ２に加わる負荷トルクＴは、その他の動作条件が同じであれば、Ｍ,ｍ, ω, αによって定まる。Ｍ, ω, αが一定である場合（ω=α=0の場合を除く）に工具重量ｍのみが変化すると、主軸頭駆動用モータの負荷トルクＴも変化する。

この第３の実施形態は、このことを利用するもので、あらかじめ、ある角速度ω、角加速度αで主軸頭駆動用モータＡ２が駆動される条件下において、重量がｍ₁〜ｍ_nと異なる何種類かの工具をそれぞれ主軸に装着したときに、主軸頭駆動用モータＡ２にかかる負荷トルクＴ₁〜Ｔ_nを求め、この重量がｍ₁〜ｍ_nと負荷トルクＴ₁〜Ｔ_nの関係係データをメモリ２１に記録しておく。なお、この実施形態においても、工具の代わりに重量がｍ₁〜ｍ_nと異なる何種類かの工具ダミーをそれぞれ主軸に装着したときに、主軸頭駆動用モータＡ２にかかる負荷トルクＴ₁〜Ｔ_nを求めてもよい。以下この関係データを第１の実施形態と同様に装着物重量と負荷トルクとの関係データという。

工具重量推定指令が表示装置／手動入力ユニット９から入力されると、ＣＰＵ２０は、図５に示す処理を開始する。
まず、ＣＰＵ２０は角加速度αで角速度ωの指令を主軸頭駆動用モータ(Ｙ軸の送り軸サーボモータ)Ａ２の軸制御回路２４_２に出力する。軸制御回路２４_２は角加速度αで角速度ωになるように、速度ループ制御を行い、サーボアンプ２５_２を介して主軸頭駆動用モータ(Ｙ軸の送り軸サーボモータ)Ａ２を駆動する（ステップｂ１）。次に、速度検出器からフィードバックされる主軸頭駆動用モータＡ２の角速度がωに達したときの電流検出器からフィードバックされてくる主軸頭駆動用モータＡ２の駆動電流を読み取る（ステップｂ２）。読み取った駆動電流より負荷トルクＴを求める（ステップｂ３）。この第３の実施形態では、ステップｂ２、ステップｂ３の処理によって、負荷トルク検出手段を構成している。そして、重量がｍ₁〜ｍ_nと負荷トルクＴ₁〜Ｔ_nの装着物重量と負荷トルクとの関係データの中から、求めた負荷トルクＴにもっとも近い負荷トルクＴ_ｉを選び出し、該負荷トルクＴｉに対応する重量ｍｉを工具重量の推定値ｍとして求める（ステップｂ４）。また、第１の実施形態と同様に、装着物重量と負荷トルクとの関係データにある検出した負荷トルクＴの上下の負荷トルクから補間して工具重量を求めてもよい。この第３の実施形態では、このステップｂ４の処理によって工具重量推定手段を構成する。次に、求めた推定値ｍを工具重量としてメモリ２１内に記憶し（ステップｂ５）、工具重量推定処理を終了する。

なお、この第３の実施形態においては、主軸頭が水平方向に駆動される場合を例としたが、本発明の範囲はこれに限らない。主軸頭の駆動方向が水平方向に対して傾いている場合にも、また、図２のように鉛直方向であってもこの第３の実施形態で用いる主軸頭駆動時での工具重量推定方法は適用できるものである。

〈実施形態４〉
第２の実施形態と同様に、（工具）重量ｍ〜ｍ_nと負荷トルクＴ₁〜Ｔ_nの装着物重量と負荷トルクとの関係データを用いることなく、工具重量ｍと負荷トルクＴとの関係式から工具重量を推定することもできる。図４に示されるような、主軸頭が水平方向に駆動される工作機械において、主軸頭駆動時において、主軸頭駆動用モータＡ２の負荷トルクＴと工具重量ｍとの間に、以下の関係式が成り立つ。

Ｔ＝ ( (M+m)gL / 2πη + T_p ) Z + (J₁ + Z²(J₂ + (M+m) (L / 2π)² ) ) α …(４)
ここで、
Ｍ；主軸頭の重量
Ｚ；主軸頭駆動モータとボールネジとの間の減速機構の減速比
Ｌ；ボールネジのリード
η；ボールネジの効率
Ｔ_Ｐ；摩擦トルク
J₁；モータ側の慣性モーメント
J₂；ボールネジ側の慣性モーメント
α；モータ軸の角加速度
を表す。

この(４)式を変形すると、以下のようになる。
m = ( T−T_pZ −J₁α−Z²J₂α) ／( gLZ / 2πη＋ Z²( L / 2π)²α) - M …(５)
この関係式を用いることで、実際の主軸頭駆動時の負荷トルクＴを検出して、工具重量ｍを算出することが出来る。また、ボールネジの効率ηに変化がないとすれば、Ｚ、Ｌ、ＴＰ、Ｊ１、Ｊ２は一定であり、αは一定な値とするものであるから、( gLZ / 2πη+ Z²( L / 2π)²α)＝Ｋ１、（T_pZ＋J₁α＋Z²J₂α)＝Ｋ２として固定値とすれば、(５)式は、次の(６)式となる。

ｍ＝［(Ｔ−Ｋ２)／Ｋ１］−Ｍ …(６)
この(５)式又は(６)式を用いて、検出した負荷トルクＴから工具重量ｍを算出し推定することができる。この場合、工具重量推定処理としては、図５に示す処理においてステップｂ４の処理が、(５)式又は(６)式の演算で工具重量を算出し推定する処理に代わるだけである。

なお、この第４の実施形態においては、主軸頭が水平方向に駆動される場合を例としたが、本発明の範囲はこれに限らない。主軸頭の駆動方向が水平方向に対して傾いている場合にも、主軸頭にかかる重力の項を関係式に加えてやることにより、工具重量の推定が可能である。

上述した第１〜第４の実施形態では、負荷トルクＴを検出し、該負荷トルクＴから工具重量ｍを推定するようにしたが、負荷トルクＴは駆動電流Ｉに定数のトルク定数を乗じて得られるものであり、負荷トルクと駆動電流Ｉは比例関係にある。そのため、（工具）重量ｍ₁〜ｍ_nと負荷トルクＴ₁〜Ｔ_nの装着物重量と負荷トルクとの関係データを記憶させるのではなく、（工具）重量ｍ_１〜ｍ_nと駆動電流Ｉ₁〜Ｉ_nの関係データを記憶させておき、駆動電流Ｉを読み取ってこの（工具）重量ｍ₁〜ｍ_nと駆動電流Ｉ₁〜Ｉ_nの関係データより工具重量ｍを推定するようにしてもよい。この場合、図３、図５に示す処理において、ステップａ２、ステップｂ３の処理は必要なく、ステップａ３、ステップｂ４で、ステップａ１又はステップｂ２で読み取った駆動電流Ｉと工具重量ｍ₁〜ｍ_nと駆動電流Ｉ₁〜Ｉ_nの関係データによって、工具重量の推定値ｍを求めるようにしてもよいものである。

また、(２)式、(３)式、又は、(５)式、(６)式の関係式で工具重量を演算して推定する場合においても、負荷トルクＴの代わりに検出した駆動電流Ｉにトルク定数を乗じたものを用いることによって、工具重量を推定することができる。また、主軸頭駆動用モータを含む各軸のサーボモータを制御する軸制御回路２４_１〜２４_３においては、速度ループ制御から電流ループ回路にトルク指令が出力される、このトルク指令を負荷トルクとして検出するようにしてもよい。

以上の方法で推定した主軸頭に装着されている工具の重量を、その工具が収納される工具マガジンの工具番号に対応させてデータとして記憶する工具重量記憶手段を設ける。これにより、工具マガジン内のどの位置にどの重量の工具が収納されるのかを制御装置に記憶させておくことが可能となる。例えば、工具重量推定処理の図３で示されるステップａ４、又は、図５のステップｂ５の処理において工具重量の推定値ｍを工具マガジンの工具番号に対応させて記憶させるようにする。これによって、工具マガジンにおける工具の配置と重量のデータを用いることにより、工具交換装置の動作を適切に設定することが可能となる。また、工具番号ごとの工具重量データを直接入力することなく作成が可能となり、工具の配置と工具重量に応じて工具交換装置の動作を適切に設定できるという効用がある。

また、第２、第４の実施形態のように工具重量ｍを負荷トルクＴ(又は駆動電流Ｉ)と工具重量の関係式((２)式、(３)式、(５)式、(６)式)によって算出し推定する場合、この関係式に使用する定数が変化する場合がある。主軸頭駆動機構は長期間の使用により劣化し、効率や摩擦トルクが変化していく。これにより、モータの負荷トルクと工具重量との関係式の定数も一部変化し、正確な工具重量の算出ができなくなる。そこで、あらかじめ重量の分かっている工具を主軸頭に装着し、第２、第４の実施形態と同様な方法で軸頭駆動用モータの負荷トルクを検出し、工具重量ｍと検出した負荷トルクＴの間で(１)式、〜(３)式、又は、(４)式〜(６)式の関係が成立するようにこの関係式の定数を補正するようにする。

たとえば、図１の工作機械における、主軸頭停止時のモータ負荷トルクと工具重量との間の関係式の(２)式、(３)式において、ボールネジの効率ηの変化について考える。既知の工具重量ｍと、検出された負荷トルクＴとでは、次の(２)式、又は、(３)式がなりたたねばならない。

ｍ＝（2πηＴ / g ＬＺ）−Ｍ …(２)
ｍ＝Ｋ・Ｔ−Ｍ …(３)
そこで、この関係式が成立するように、(２)式であればηを変更することにより、(３)式であればＫを変更して(２)式、(３)式が成立するようにする。こうして、(２)式又は(３)式の関係式の定数補正を行うことができ、機械の経年変化にも耐えうるものである。

また第４の実施形態のように、主軸頭駆動時に負荷トルクを求めて(５)式、又は(６)式で工具重量を算出し推定する場合においても、重量ｍが既知の工具を主軸頭に装着し角加速度α、角速度ωで駆動したときの負荷トルクＴを検出し、工具重量ｍと検出した負荷トルクＴの間に(５)式、又は(６)式が成立するようにこれらの式の定数を変更し補正すればよい。

さらに、この工具重量推定方法によって、主軸頭駆動機構や工具の異常等を検出することもできる。

あらかじめ重量の分かっている工具に対して、上述した方法で工具重量の推定を行い、推定値と実際の工具重量との差が一定値以上である場合に警告を出すことにより、主軸頭駆動機構の異常を発見することができる。この場合、図３の処理においてはステップａ４での処理、図５の処理においてはステップｂ５の処理を、推定した工具重量ｍと重量が既知の実際工具の重量との差が一定値以上か判別し、一定値以上の場合には、表示装置／手動入力ユニット９に警告を表示するような処理に代えればよいものである。

例えば、ボールネジへの異物の付着などにより、実際の工具重量に対してモータにかかる負荷が異常に大きい場合には、工具重量が実際よりもかなり大きい値として推定される。こうした異常を検知し警告を出すことにより、機械に重大な問題が発生する前に不具合の発見が可能となる。

さらに、推定した工具重量と、工具マガジンの工具番号に対応させて工具重量データを記憶する工具重量記憶手段に格納されているその工具の重量とを比較して、差が一定以上の場合にユーザに対して新しい工具への交換の有無を確認するメッセージや警報等のアラームを発生するようにしてもよい。もし工具交換が行われていなかった場合には、工具の折損や駆動系の異常が起こっている恐れがある。この機能によりそれらの早期発見が可能となる。この場合、図３のステップａ４での処理、図５のステップｂ５の処理を、推定した工具重量と使用する工具に対して工具重量記憶手段に記憶されている工具重量との差を求めその差が一定値以上か判別し一定値以上の場合には新しい工具への交換のメッセージや警報等のアラーム表示の処理に替え、この替えられたステップａ４、ステップｂ５で構成された図３又は図５の処理を、工具交換毎に実行するようにすれば、工具の異常、さらには主軸頭駆動機構の異常を検出すことができる。

上述した各実施形態では、ボールネジ／ナット機構と回転モータによる主軸頭駆動機構を備えた工作機械であったが、本発明はこの範囲に限らない。例えば、リニアモータを主軸頭の駆動に使用するような工作機械においても、主軸頭駆動用モータの負荷からの工具重量の推定、それに基づいたモータ負荷と工具重量との関係式の補正および駆動系や工具の異常検出が可能である。

１ 主軸頭
２ 工具把持部
３ 工具
４ ボールネジ／ナット機構
Ａ２ 主軸頭駆動用モータ(Ｙ軸の送り軸サーボモータ)
Ａ３ 主軸頭駆動用モータ(Ｚ軸の送り軸サーボモータ)
ＳＭ 主軸モータ
１０ 工作機械の制御装置(数値制御装置)

Claims (10)

1. 工具の着脱が可能な主軸頭と、該主軸頭を駆動する主軸頭駆動用モータを備えた工作機械において、
   前記主軸頭駆動用モータに加わる負荷トルクを検出する負荷トルク検出手段と、
   主軸頭に装着した物の重量と、所定の駆動条件の下で主軸頭駆動用モータにかかる負荷トルクとの関係を、重量の異なる複数の物に対してあらかじめ求めて装着物重量と負荷トルクとの関係データとして格納されたデータ格納手段と、
   前記工具が主軸頭に装着されている際に、前記所定の駆動条件の下で前記負荷トルク検出手段で主軸頭駆動用モータの負荷トルクを検出し、該検出した負荷トルクと前記データ格納手段に格納された前記装着物重量と負荷トルクの関係データから前記主軸頭に装着されている工具の重量を推定する工具重量推定手段と
   を備えたことを特徴とする工作機械。
2. 工具の着脱が可能な主軸頭と、該主軸頭を駆動する主軸頭駆動用モータを備えた工作機械において、
   前記主軸頭駆動用モータに加わる負荷トルクを検出する負荷トルク検出手段と、
   所定の駆動条件の下での前記主軸頭に装着されている工具重量と主軸頭駆動用モータにかかる負荷トルクとの間の関係式を用い、前記所定の駆動条件の下で前記負荷トルク検出手段で検出された負荷トルクより主軸頭に装着されている工具の重量を算出して推定する工具重量推定手段と
   を備えた工作機械。
3. 前記負荷トルク検出手段の代わりに、主軸頭駆動用モータの駆動電流値を検出する駆動電流検出手段を設け、前記負荷トルクの代わりに主軸頭駆動用モータの駆動電流が求められ、装着物重量と負荷トルクとの関係データの代わりに、予め装着物重量と駆動電流値との関係データが求められて前記データ格納手段に格納され、前記工具重量推定手段は、装着物重量と駆動電流値との関係データと駆動電流検出手段で検出された駆動電流値より前記主軸頭に装着されている工具の重量を推定する請求項１に記載の工作機械。
4. 前記負荷トルク検出手段の代わりに、主軸頭駆動用モータの駆動電流値を検出する駆動電流検出手段を設け、工具重量推定手段は、工具重量と負荷トルクとの間の関係式の代わりに工具重量と駆動電流値の間の関係式を用い、該関係式と前記駆動電流検出手段で検出した駆動電流値によって前記主軸頭に装着されている工具の重量を推定する請求項２に記載の工作機械。
5. 鉛直方向に駆動される主軸頭と、
   前記主軸頭を駆動する手段としてボールネジ／ナット機構を有する工作機械において、
   前記工具重量推定手段は以下の関係式
   ｍ＝2πηＴ /ｇＬＺ-Ｍ
   Ｔ：主軸頭停止時の主軸頭駆動モータの負荷トルク
   Ｍ：主軸頭の重量
   Ｚ：主軸頭駆動モータとボールネジとの間の減速機構の減速比
   Ｌ：ボールネジのリード
   η：ボールネジの効率
   ｇ：重力加速度
   により、主軸頭停止時の主軸頭駆動用モータの負荷トルクから工具重量ｍを算出して推定することを特徴とする請求項２に記載の工作機械。
6. 前記工作機械は、前記主軸頭に対して着脱される複数の工具を保持し工具番号で管理する工具マガジンを備え、
   前記工具重量推定手段により推定した工具重量を、前記工具が工具マガジンに収納されたとき工具番号と対応させて工具重量データ格納手段に記憶させる工具重量入力手段を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の工作機械。
7. あらかじめ重量の分かっている工具を装着し、前記所定の駆動条件の下で主軸頭駆動用モータにかかる負荷トルクを前記負荷トルク検出手段で検出し、工具重量と検出した負荷トルクとによって、工具重量負荷トルクとの間の関係式を補正する補正手段を有する、請求項２又は請求項５に記載の工作機械。
8. あらかじめ重量の分かっている工具を装着し、前記所定の駆動条件の下で主軸頭駆動用モータの駆動電流値を前記駆動電流検出手段で検出し、工具重量と検出した駆動電流値によって、工具重量と駆動電流値との間の関係式を補正する補正手段を有する請求項４に記載の工作機械。
9. あらかじめ重量の分かっている工具を装着した際に、前記工具重量推定手段を用いて前記工具重量を推定し、実際の工具重量との差を求めて比較する重量比較手段と、
   前記重量の差が一定値以上の場合に、メッセージを表示する表示機能あるいは警告を発生するアラーム手段を有することを特徴とする、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の工作機械。
10. 工具マガジンから取り出し主軸頭に装着して、前記工具重量推定手段を用いて推定した工具重量の値と、前記工具重量データ格納手段に格納されている当該工具の重量の差を求めて比較する重量比較手段と、
    前記重量の差が一定値以上の場合にメッセージを表示するメッセージ表示機能あるいは警告を発生するアラーム機能を有する請求項６に記載の工作機械。