JP5749596B2 - 工作機械用制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、ＮＣ自動旋盤装置等の工作機械を制御する工作機械用制御装置に関するものである。
従来、加工プログラムを実行する際に順次算出される補正量として、例えば工作機械の熱変位量に対する補正量が知られており、前記熱変位量を飽和熱変位量に到達するまで演算し、熱変位量が飽和熱変位量に到達するまでは、逐次熱変位量を補正量として使用し、熱変位量が飽和熱変位量に到達した後には飽和熱変位量を補正量として使用する工作機械の制御装置がある（例えば、特許文献１参照。）。
また、ワークの加工プログラムを１行ずつ読み込んで実行する逐次解析制御手段と、前記加工プログラムを予め一括して解読し、予め定められた形式に変換して実行する事前解析制御手段とを備え、前記逐次解析制御手段又は事前解析制御手段によって工作機械の動作を制御する数値制御装置がある（例えば、特許文献２参照）。
特開平１０−１４３２１７号公報（特許請求の範囲、図１乃至図３参照。） 特開２００２−３４１９１２号公報（特許請求の範囲、図１乃至図３参照。）
しかしながら、上述の工作機械の制御装置では、飽和熱変位量を予め計測したり、算出したりする必要があり、熱変位の補正を容易に行うことができないという問題点があった。
一方事前解析制御手段は、一般的に逐次解析制御手段に比較して高速に工作機械の動作を制御することができるが、上記熱変位の補正を行う必要がある場合、例えばワークの加工１サイクル毎に、熱変位の補正値（熱変位補正量）に基づき加工プログラムを、解読して変換し、実行データを作成することになるため、処理速度の低下を招く場合があり、事前解析制御手段の実行の際に熱変位の補正を行うことは容易ではないという問題点があった。
そこで、本発明が解決しようとする技術的課題、すなわち、本発明の目的は、工作機械で生じる熱変位量を補正し、処理速度の低下を回避して、ワークの加工精度向上を実現する工作機械用制御装置を提供することである。
まず、本請求項１の発明に係る工作機械用制御装置は、ワークの加工プログラムを１行ずつ読み込んで実行する逐次解析制御手段と、前記加工プログラムを予め一括して解読し、予め定められた形式に変換して実行する事前解析制御手段と、前記加工プログラムを実行する際の補正量を順次算出する補正量算出手段とを設け、該補正量算出手段によって算出された補正量に基づき、前記加工プログラムを実行し、工作機械の動作を制御する工作機械用制御装置において、前記補正量の変化量を順次算出する変化量算出手段と、前記事前解析制御手段と逐次解析制御手段とを相互に切り換えるモード切換手段とを設け、該モード切換手段が、前記変化量が、予め定められた所定の範囲内の場合に前記事前解析制御手段を作動させ、前記変化量が前記範囲外の場合に、前記逐次解析制御手段を作動させるように構成され、前記事前解析制御手段が、前記変化量が所定範囲内となる補正量に基づき前記変換を行い、事前解析制御手段の継続中、再変換を行わないように構成されることにより、前述した課題を解決したものである。
そして、本請求項２に係る発明は、請求項１に係る工作機械用制御装置において、前記補正量算出手段が、工作機械の熱変位に応じた熱変位補正量を算出することにより、前述した課題をさらに解決したものである。
そして、本請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２に係る工作機械用制御装置において、前記モード切換手段が、事前解析制御手段と逐次解析制御手段とを、１加工サイクルの開始時に切り換えるように構成されたことにより、前述した課題をさらに解決したものである。
そして、本請求項４に係る発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一つに係る工作機械用制御装置において、前記モード切換手段が、前記逐次解析制御手段から事前解析制御手段に切り換えた後、予め定められた所定時間内に、前記事前解析制御手段から逐次解析制御手段に切り換えた場合に、逐次解析制御手段を、予め定められた所定の逐次解析実行時間継続して作動させる逐次解析継続作動手段を備えることにより、前述した課題をさらに解決したものである。
本発明の請求項１に係る工作機械用制御装置は、予め補正量の飽和値を計測したり、演算したりすることなく、補正量の変化量に応じて事前解析制御手段と逐次解析制御手段とを切り換えて作動させることによって、ワークの加工精度を向上させることができるとともに、事前解析制御手段の継続中、加工プログラムの再変換を行わないことによって、事前解析制御手段によるワークの加工時間短縮を図ることができる。
そして、本請求項２に係る工作機械用制御装置は、請求項１に係る工作機械用制御装置が奏する効果に加えて、前記補正量算出手段が、工作機械の熱変位に応じた熱変位補正量を算出するため、予め飽和熱変位量の計測や演算を行うことなく、容易に熱変位量を補正して工作機械の動作を制御して高精度でワークを加工することができる。
そして、本請求項３に係る工作機械用制御装置は、請求項１又は請求項２に係る工作機械用制御装置が奏する効果に加えて、前記モード切換手段が、事前解析制御手段と逐次解析制御手段とを、１加工サイクルの開始時に切り換えるように構成されたため、高速且つ高精度で工作機械を制御し、ワークを高精度で加工することができる。
そして、本請求項４に係る工作機械用制御装置は、請求項１乃至請求項３のいずれか一つに係る工作機械用制御装置が奏する効果に加えて、前記逐次解析制御手段と事前解析制御手段との切り換えが頻繁に発生して、事前解析制御手段による加工プログラムの変換が頻発することを防止し、加工時間を更に短縮することができる。
本発明の実施例に係る工作機械用制御装置の構成を示したブロック図。 工作機械の加工プログラム及び解析モードを時間軸に沿って示したテーブル。 本発明の実施例に係る工作機械用制御装置の制御フローを示したフローチャート。 本発明の実施例に係る工作機械用制御装置の制御フローを示したフローチャート。 熱変位量、ワーク寸法及び補正値の時間変化グラフと解析モードのタイミングチャート。
以下、本発明の一実施例に係る工作機械用制御装置１００を説明する。図１に示すように、本発明の実施例に係る工作機械用制御装置１００は、逐次解析制御部１１０と、事前解析制御部１２０と、補正量算出部１３０と、変化量算出部１４０と、モード切換部１５０とを備え、工作機械Ｍを制御する。工作機械Ｍは、例えば、複数のワークを連続して加工する工作機械、例えば棒材を加工する自動旋盤などが想定され、主軸Ｍ１、主軸Ｚ軸モータＭ２、Ｚ軸ボールねじＭ３、加工工具Ｍ４、刃物台Ｍ５、Ｘ軸ボールねじＭ６及び刃物台Ｘ軸モータＭ７を備える。
工作機械用制御装置１００が、予め記憶された加工プログラムに基づき、主軸Ｚ軸モータＭ２を回転制御し、主軸Ｍ１をＺ軸ボールねじＭ３に沿ってＺ軸方向に移動させるとともに、刃物台Ｘ軸モータＭ７を回転制御し、刃物台Ｍ５をＸ軸ボールねじＭ６に沿ってＸ軸方向に移動させることによって、工作機械Ｍは、ワークＷを加工することができる。
一般的に前記工作機械ＭによるワークＷの加工時には、各モータの回転やボールネジの摩擦等により熱が発生し、この熱に起因するボールネジの伸び等により加工誤差（熱変位）が発生する。これに対して、本工作機械用制御装置１００は、前記補正量算出部１３０によって、前記変位（熱変位）を補正する熱変位補正量を補正値として算出し、前記変化量算出部１４０によって補正値（補正量）の変化量を算出するように構成されている。
本実施形態において補正量算出部１３０は、図２に示されるように、ワークＷの加工サイクルとは無関係に、一定周期で補正値を順次算出し、この補正値が不図示のレジスタ等のメモリに格納される。前記補正値は工作機械側の温度や熱変位量等に基づき算出される。なお前記補正値の算出方法等は公知であるため詳細な説明は割愛する。
前記変化量算出部１４０は、図３に示されるように、補正量算出部１３０より補正値が算出されたか否かを判定し（ステップＳ１０１）、補正値が算出されている場合は、補正値を取得し（ステップＳ１０２）、取得した補正値に基づき変化量を算出する（ステップＳ１０３）。変化量は、時間的に相前後して算出された補正量同士の差分や、移動平均等によって算出することができる。
次に前記変化量が所定の範囲内か否かを判定し（ステップＳ１０４）、変化量が所定の閾値（範囲）内に収まっている場合、事前解析フラグをセットする（ステップＳ１０５）。ステップＳ１０４において、変化量が所定の範囲内に収まっていない（閾値外）場合は、事前解析フラグがセットされているか否かを判定し（ステップＳ１０６）、事前解析フラグがセットされていない場合は、フローをリターンし、事前解析フラグがセットされていた場合は、事前解析フラグをリセットしてフローをリターンする。
以上により補正値に応じて、補正値の変化量が順次算出され、変化量に応じて事前解析フラグのセットとリセットが行われる。なお前記補正値が、ワークＷの加工サイクルとは無関係に出力されるため、事前解析フラグもワークＷの加工サイクルとは無関係にセット又はリセットされる。
前記工作機械用制御装置１００は、前記逐次解析制御部（逐次解析制御手段）１１０によって、加工プログラムを１行ずつ読み込んで実行し、前記各モータを制御する逐次解析モードと、事前解析制御部（事前解析制御手段）１２０によって、加工プログラムを予め一括して解読し、予め定められた形式に変換し、変換されたプログラムにより前記各モータを制御する事前解析モードとを備えている。前記逐次解析モードと事前解析モードとは、前記モード切換部１５０によって切り換えられて択一的に設定され、前記工作機械用制御装置１００は、逐次解析モードと事前解析モードのいずれかによってワークＷの加工制御を行う。
モード切換部１５０は、図4に示すように、ステップＳ２１０でセットされ、ステップＳ２０７でＯＦＦされる逐次解析継続フラグがセットされているか否かを判定し（ステップＳ２０１）、逐次解析継続フラグがセットされていない場合には、前記事前解析フラグがセットされているか否かを判定する（ステップＳ２０２）。
事前解析フラグがセットされている場合は、逐次解析モードが設定されているか否かを判定し（ステップＳ２０３）、逐次解析モードが設定されている場合には事前解析制御部１２０に事前解析を実行させ、事前解析の演算を行い（ステップＳ２０４）、事前解析モードに設定する（ステップＳ２０５）。逐次解析モードが設定されていない場合には、直接ステップＳ２０５を実行し、事前解析の再演算を行うことなく事前解析モードの設定を継続する。
一方ステップＳ２０２において、事前解析フラグがセットされていない場合には、事前解析モードが設定されているか否かを判定し（ステップＳ２０８）、事前解析モードが設定されていた場合には、事前解析モードが一定時間継続して設定されているか否かを判定する（ステップＳ２０９）。
事前解析モードが一定時間継続して設定されていた場合には、逐次解析モードを設定し（ステップＳ２１１）、事前解析モードが一定時間継続して設定されていなかった場合には、前記逐次解析継続フラグをセットし（ステップＳ２１０）、ステップＳ２１１で逐次解析モードを設定する。ステップＳ２０８において、事前解析モードが設定されていなかった場合も、ステップＳ２１１で逐次解析モードを設定し、逐次解析モードを継続する。
ステップＳ２０１において、逐次解析継続フラグがセットされている場合には、逐次解析モードが一定時間継続して設定されているか否かを判定する（ステップＳ２０６）。逐次解析モードが一定時間継続して設定されていると判定された場合には、逐次解析モードを継続する前記逐次解析継続フラグをリセットし（ステップＳ２０７）、ステップＳ２０２を実行する。ステップＳ２０６で逐次解析モードが一定時間継続して実行されていないと判定された場合にはステップＳ２１１を実行する。モード切換部１５０は、工作機械ＭによるワークＷの加工動作が終了するまで、ワークＷの加工１サイクルの終了毎に、ステップＳ２０１乃至Ｓ２１１を繰り返し実行する。
上記モード切換部１５０の作動によって、工作機械用制御装置１００は、ワークＷの加工１サイクル終了の際に、前記変化量算出部１４０によって事前解析フラグがセットされている場合に事前解析モードが設定され、事前解析フラグがセットされていない場合に逐次解析モードが設定される。
ただし事前解析モードが予め定められた一定時間経過する前に逐次解析モードに切り換えられると、切り換えられた逐次解析モードは、事前解析フラグのセットとは無関係に、予め定められた所定の逐次解析実行時間継続して設定され続ける。ステップＳ２０１，Ｓ２０６，Ｓ２０７によって、逐次解析モードを、前記逐次解析実行時間継続して作動させる逐次解析継続作動手段が機能する。
工作機械用制御装置１００に逐次解析モードが設定されている場合、前記逐次解析制御部１１０が、ワークＷの加工１サイクル開始時の補正値（例えば図２の補正値Ａ）に基づいて補正しながら、加工プログラムを１行ずつ実行することによって、熱変位が補正され、工作機械Ｍは、ワークＷを高精度に加工することができる。
工作機械用制御装置１００に事前解析モードが設定されている場合、前記事前解析制御部１２０によって変換されるプログラムにより、工作機械Ｍは、工作機械用制御装置１００に逐次解析モードが設定されている場合に比較して、ワークＷを高速で加工することができる。事前解析制御部１２０による加工プログラムの変換演算を、補正値の変化量が前記閾値内となる最新の補正値（例えば図２の補正値Ｆ）に基づいて実行することによって、事前解析モードにおいて熱変位が補正され、ワークＷの加工精度も高精度に維持される。なお事前解析制御部１２０による加工プログラムの変換演算の際に用いる補正値は、前記変化量が前記閾値内となる補正値であれば、前記最新の補正値の他、前記変化量が前記閾値内となる最初の補正値（例えば図２の補正値Ｃ）や、変化量が閾値内となる各補正値の平均値等を使用することも考えられる。
ただし事前解析モードが継続して設定される場合、工作機械用制御装置１００は、いったん事前解析制御部１２０によって変換されたプログラムを継続的に使用して制御を行うため、図５（ａ）に示されるように、事前解析制御部１２０による加工プログラムの変換演算に適用した補正値に対して、熱変位量の変化が増大し、順次算出される補正値の変化量が前記閾値から外れると、ワークＷの加工精度が低下し、加工誤差が増大する。
これに対して、補正量算出部１３０による補正値の算出と、変化量算出部１４０による変化量の算出と事前解析フラグのセット及びリセットが、事前解析モードに設定された後も継続的に実行され続け、工作機械用制御装置１００は、図５（ｂ）に示されるように、いったん補正値の変化量が閾値内に収まり、事前解析モードが設定された後も、補正値の変化量が閾値内から外れると逐次解析モードに再度設定され、現時点での補正値に基づく逐次解析モードによって、熱変位量に追従させて、ワークＷの加工精度を向上させることができる。
これにより工作機械Ｍによるワークの加工精度を高精度に維持することができ、従って予め飽和熱変位量を計測したり、演算したりすることなく、工作機械用制御装置１００に事前解析モードを設定して、事前解析によってワークＷの加工の処理速度を向上させることができるとともに、事前解析モードに設定した後、必要に応じて逐次解析モードに再設定することによって、ワークＷの加工精度を維持することができる。このため前記閾値は、ワークの設計寸法に対して、加工誤差が許容できる範囲となる値に設定される。
事前解析モードによってワークＷを加工する場合、逐次解析モードによってワークＷを加工する場合に比べてワークＷの１加工サイクルあたり所定の割合で処理速度が向上するため、逐次解析モードにおける１加工サイクルのサイクルタイムをｔ、向上する割合をα％とすると、事前解析モードでワークＷを加工することで１加工サイクル当たりα・ｔ／１００処理時間を短縮することができる。例えばワークＷの１加工サイクルあたり５％で処理速度が向上する場合は、１加工サイクル当たり、０．０５ｔ処理時間を短縮することができる。
一方、事前解析モードでワークＷを加工する場合、加工前に事前解析制御部１２０による前記事前解析の演算を実行する必要がある。このため演算時間をＴとすると、逐次解析モードから事前解析モードに一旦切り替わった後、「Ｔ／短縮時間」（サイクル）、事前解析モードで加工を行うことによって、演算時間Ｔを相殺することができ、「Ｔ／短縮時間」サイクル以上の回数、つまり「ｔ・Ｔ／短縮時間」以上の時間、事前解析モードで加工を行うことによって、加工時間全体を短縮できる。例えば短縮時間が上記のように０．０５ｔの場合、「ｔ・Ｔ／０．０５ｔ＝Ｔ／０．０５時間」以上の時間、事前解析モードで加工を行うことによって、加工時間全体を短縮できる。
ただし逐次解析モードから事前解析モードに切り換わった後、「ｔ・Ｔ／短縮時間」以内に、再度事前解析モードから逐次解析モードに切り換わると、事前解析モードに切り換わる際の演算時間Ｔを相殺することができず、以降逐次解析モードのままであれば、全体の加工時間はかえって長くなる。
「ｔ・Ｔ／短縮時間」以内に、事前解析モードから逐次解析モードに切り換わるという状態は、熱変位が安定しないために発生すると考えられるため、前記モード切換部１５０は、前記ステップＳ２０９における一定時間を、「ｔ・Ｔ／短縮時間（例えばＴ／０．０５時間）」とし、前記逐次解析継続作動手段によって、「ｔ・Ｔ／短縮時間」以内に、事前解析モードから逐次解析モードに切り換わった場合は、事前解析フラグのＯＮ，ＯＦＦとは無関係に、前記逐次解析実行時間だけ継続して逐次解析モードを実行するように構成されている。
これにより逐次解析モードと事前解析モードとの切り換えが頻繁に発生することを防止し、加工時間の増加を規制する。逐次解析実行時間は、熱変位が安定すると考えられる時間であればよく、例えば、ｔ・Ｔ／短縮時間の２倍程度に設定することができる。
１００ ・・・ 工作機械用制御装置
１１０ ・・・ 逐次解析制御部
１２０ ・・・ 事前解析制御部
１３０ ・・・ 補正量算出部
１４０ ・・・ 変化量算出部
１５０ ・・・ モード切換部
Ｍ ・・・ 工作機械
Ｍ１ ・・・ 主軸
Ｍ２ ・・・ 主軸Ｚ軸モータ
Ｍ３ ・・・ Ｚ軸ボールねじ
Ｍ４ ・・・ 加工工具
Ｍ５ ・・・ 刃物台
Ｍ６ ・・・ Ｘ軸ボールねじ
Ｍ７ ・・・ 刃物台Ｘ軸モータ
Ｗ ・・・ ワーク

Claims (4)

  1. ワークの加工プログラムを１行ずつ読み込んで実行する逐次解析制御手段と、前記加工プログラムを予め一括して解読し、予め定められた形式に変換して実行する事前解析制御手段と、前記加工プログラムを実行する際の補正量を順次算出する補正量算出手段とを設け、該補正量算出手段によって算出された補正量に基づき、前記加工プログラムを実行し、工作機械の動作を制御する工作機械用制御装置において、
    前記補正量の変化量を順次算出する変化量算出手段と、前記事前解析制御手段と逐次解析制御手段とを相互に切り換えるモード切換手段とを設け、該モード切換手段が、前記変化量が、予め定められた所定の範囲内の場合に前記事前解析制御手段を作動させ、前記変化量が前記範囲外の場合に、前記逐次解析制御手段を作動させるように構成され、前記事前解析制御手段が、前記変化量が所定範囲内となる補正量に基づき前記変換を行い、事前解析制御手段の継続中、再変換を行わないように構成されることを特徴とする工作機械用制御装置。
  2. 前記補正量算出手段が、工作機械の熱変位に応じた熱変位補正量を算出する請求項１の工作機械用制御装置。
  3. 前記モード切換手段が、事前解析制御手段と逐次解析制御手段とを、１加工サイクルの開始時に切り換えるように構成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の工作機械用制御装置。
  4. 前記モード切換手段が、前記逐次解析制御手段から事前解析制御手段に切り換えた後、予め定められた所定時間内に、前記事前解析制御手段から逐次解析制御手段に切り換えた場合に、逐次解析制御手段を、予め定められた所定の逐次解析実行時間継続して作動させる逐次解析継続作動手段を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の工作機械用制御装置。
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