JP5752229B2

JP5752229B2 - 工具重心位置推定装置および工作機械

Info

Publication number: JP5752229B2
Application number: JP2013272509A
Authority: JP
Inventors: 真弘室田; 学五十部
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 2013-12-27
Filing date: 2013-12-27
Publication date: 2015-07-22
Anticipated expiration: 2033-12-27
Also published as: CN104741962B; JP2015127067A; DE102014119129B4; DE102014119129A1; CN104741962A; CN204397453U; US20150186556A1; US9558303B2

Description

本発明は、工具の重心位置を推定する工具重心位置推定装置と、推定された工具重心位置を用いる工作機械に関する。

従来、取り付けられている工具の重量に応じて工具交換装置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。このような工作機械では、工具交換装置の動作速度を変更する機能により、最適な速度で工具交換装置の動作を行うことによって、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駆動することが可能となる。

また、主軸の回転時の加速度から、工具装着時の主軸のイナーシャを推定する機能を有する工作機械も知られている。このような工作機械では、主軸のイナーシャを推定する機能を有することにより、工具のイナーシャに応じて主軸の動作を適切に制御することが可能となる。

従来技術として、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、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、この駆動トルクから工具の重量を推定して、推定された工具の重量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る技術が開示されている。

特許文献２には、主軸回転モータに一定電力を供給した際に、主軸回転速度がある設定値に到達するまでの時間を検出し、主軸のイナーシャを算出して、主軸の回転速度指令値と比較して、主軸の回転の可否の判断を行う技術が開示されている。
特許文献３には、モータへの速度磁束密度指令と、磁束密度推定値、及びモータの速度から主軸のイナーシャを推定し、推定したイナーシャに応じてモータへの出力指令値を変更する技術が開示されている。

特開平１１−１８８５５７号公報特許第３１８７４８５号公報特開２０１３−１８６５４５号公報

特許文献１のような、工具の重量に応じて機械の動作速度を変更する技術では、機械への衝撃やモータの発熱を抑えつつ駆動することが可能であるが、工具の重量の情報のみでは機械への衝撃やモータへの負荷を正確に推定できない場合があった。
また、特許文献２，３に開示されている技術は、主軸等のイナーシャを算出して、主軸のモータ等の動作速度を制御することが可能であるが、これについても主軸等のイナーシャの情報のみでは、機械への衝撃やモータへの負荷を正確に推定できない場合があった。

機械への衝撃やモータへの負荷をより正確に推定するためには、工具重量やイナーシャだけではなく、工具の重心位置の情報を用いることが好ましい。しかしながら、工具の一つ一つの重心位置をユーザがあらかじめ計測したり算出したりするのは手間がかかることがあり、工作機械の動作を適切に設定する際に工具の重心位置データを使用することが困難となる場合があった。

そこで本発明は、工作機械における工具の重心位置を推定して、工作機械の適切な動作設定に利用することが可能な工具重心位置推定装置及び工作機械を提供することを目的とする。

本願の請求項１に係る発明では、工具の工具イナーシャおよび工具重量データを格納するデータ格納手段と、所定の工具形状モデルにおける形状データと工具イナーシャとの関係式および前記形状データと工具重量との関係式を記憶した関係式記憶手段と、前記データ格納手段に格納された工具の工具イナーシャおよび工具重量と、前記関係式記憶手段に記憶した前記関係式から前記形状データの値を算出する算出手段と、前記算出手段によって算出された前記形状データの値から工具形状を推定する工具形状推定手段と、前記工具形状推定手段により推定した工具形状に基づいて、工具の重心位置を算出する工具重心位置算出手段、とを有することを特徴とする工具重心位置推定装置が提供される。

請求項１に係る発明によると、工具イナーシャおよび工具重量をもとに工具形状モデルにおける形状データの値を算出し、形状データの値から工具形状を推定した上で工具の重心位置を算出することにより、工作機械の動作時に加わる衝撃を、工具重量データのみから推定する場合と比較して、より正確に推定することが可能となる。

本願の請求項２に係る発明では、前記工具形状モデルは、工具ごとに共通の工具ホルダ部と、工具ごとに径および高さが異なる円柱部とから構成されることを特徴とする請求項１に記載の工具重心位置推定装置が提供される。
請求項２に係る発明によると、工具形状モデルとして、工具ホルダ部と円柱部とからなると仮定して工具形状を推定することにより、工具イナーシャおよび工具重量のデータから工具重心位置の推定が可能となる。

本願の請求項３に係る発明では、前記工具形状モデルは、工具ごとに共通の工具ホルダ部と、工具ごとに径及び高さが異なる円柱部と、工具ごとに異なる刃物部とから構成され、前記工具イナーシャ及び前記工具重量に加え、前記工具の工具長および工具径データを基に前記工具形状モデルの形状データの値を算出することを特徴とする請求項１に記載の工具重心位置推定装置が提供される。
請求項３に係る発明によると、工具形状モデルとして、工具ホルダ部と円柱部に加えて、刃物部も加え、工具イナーシャ、工具重量データに加えて、工具長および工具径データをもとに工具形状を推定することにより、より正確に工具形状および工具重心位置の推定が可能となる。

本願の請求項４に係る発明では、主軸と、該主軸を回転させる主軸モータとを備えた工作機械において、前記工作機械の前記主軸のイナーシャを格納する工作機械データ格納手段と、前記主軸モータの負荷トルクを検出するトルク検出手段と、前記主軸の回転の角加速度を検出する角加速度検出手段と、前記トルク検出手段によって検出された負荷トルクと、前記角加速度検出手段によって検出された角加速度に基づいて推定された工具の装着された主軸のイナーシャから、前記工作機械データ格納手段に格納された、工具の装着されていない主軸のイナーシャを差し引くことで、工具の工具イナーシャを推定する工具イナーシャ推定手段と、前記工具の工具重量データおよび前記工具イナーシャを格納するデータ格納手段と、所定の工具形状モデルにおける形状データと工具イナーシャとの関係式および前記形状データと工具重量との関係式を記憶した関係式記憶手段と、前記データ格納手段に格納された工具の工具イナーシャおよび工具重量と、前記関係式記憶手段に記憶した前記関係式から前記形状データの値を算出する算出手段と、前記算出手段によって算出された前記形状データの値から工具形状を推定する工具形状推定手段と、前記工具形状推定手段により推定した工具形状に基づいて、工具の重心位置を算出する工具重心位置算出手段、とを有することを特徴とする工作機械が提供される。

請求項４に係る発明によると、主軸モータの負荷トルクと主軸の角加速度から、工具イナーシャを推定することにより、工具イナーシャデータを直接入力することなく、工具形状や工具重心位置の推定が可能な工作機械を提供可能となる。

本願の請求項５に係る発明では、前記工具形状モデルは、工具ごとに共通の工具ホルダ部と、工具ごとに径および高さが異なる円柱部とから構成されることを特徴とする請求項４に記載の工作機械が提供される。
請求項５に係る発明によると、工具の工具形状モデルとして、工具ホルダ部と円柱部とからなると仮定して工具形状を推定することにより、工具イナーシャおよび工具重量のデータから工具重心位置の推定が可能な工作機械を提供可能となる。

本願の請求項６に係る発明では、前記工具形状モデルは、工具ごとに共通の工具ホルダ部と、工具ごとに径及び高さが異なる円柱部と、工具ごとに異なる刃物部とから構成され、前記工具イナーシャ及び前記工具重量に加え、前記工具の工具長および工具径データを基に前記工具形状モデルの形状データの値を算出することを特徴とする請求項４に記載の工作機械が提供される。
請求項６に係る発明によると、工具の工具形状モデルとして、工具ホルダ部と円柱部に加えて、刃物部も加え、工具イナーシャ、工具重量データに加えて、工具長および工具径データをもとに工具形状を推定することにより、より正確に工具形状および工具重心位置の推定が可能な工作機械を提供可能となる。

本願の請求項７に係る発明では、前記主軸に対して着脱される複数の工具を工具把持部において保持可能な工具マガジンを備えた工作機械において、前記工具把持部には互いに識別可能な識別符号が付与されており、前記工具形状推定手段により推定した工具形状を、前記識別符号と対応させて格納する、工具形状データ格納手段を備えたことを特徴とする請求項４乃至６の何れか１つに記載の工作機械が提供される。
請求項７に係る発明によると、工具に互いに識別可能な識別符号を付与して、工具形状を推定して識別符号と対応させることにより、工具の識別符号ごとの工具形状データの作成が可能となる。

本願の請求項８に係る発明では、前記主軸に対して着脱される複数の工具を工具把持部において保持可能な工具マガジンを備えた工作機械において、前記工具把持部には互いに識別可能な識別符号が付与されており、前記工具重心位置算出手段により算出した工具の重心位置を、前記識別符号と対応させて格納する、工具重心位置データ格納手段を備えたことを特徴とする請求項４乃至６の何れか１つに記載の工作機械が提供される。
請求項８に係る発明によると、工具重心位置を推定して工具の識別符号と対応させることにより、工具の識別符号ごとの工具重心位置データの作成が可能となり、この工具重心位置データをもとに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。

本願の請求項９に係る発明では、前記工具形状推定手段により推定した前記工具形状が、あらかじめ定められた制限寸法の範囲を超えている場合に、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ことを特徴とする請求項４乃至６の何れか１つに記載の工作機械が提供される。
請求項９に係る発明によると、工具形状推定手段により推定した工具形状が、あらかじめ定められた制限寸法を超えている場合にメッセージを表示したり、アラームを発生させることにより、工具の干渉や機械の故障を未然に防ぐことが可能となる。

本願の請求項１０に係る発明では、前記工具形状推定手段により推定した前記工具形状と、前記データ格納手段に格納されている前記工具の前記工具重量データおよび前記工具イナーシャとを比較する工具形状比較手段と、前記工具形状比較手段による比較結果の差異が一定以上の場合にメッセージを表示するメッセージ機能あるいは警告を発生するアラーム機能を有することを特徴とする請求項４乃至６の何れか１つに記載の工作機械が提供される。

請求項１０に係る発明によると、工具形状を推定した際に、データ格納手段に格納されている、前回推定時の工具形状からの変化をユーザに知らせることにより、工具の変更の有無をユーザに確認して、工具や工作機械に何らかの異常があることをユーザに知らせることが可能となる。

本発明により、工作機械における工具の重心位置を推定して、工作機械の適切な動作設定に利用することが可能な工具重心位置推定装置及び工作機械を提供することができる。

本発明の実施形態で用いられる工具の概略図である。本発明の実施形態における工具形状モデルを示した図である。本発明の実施形態における別の工具形状モデルを示した図である。本発明の実施形態における工作機械の一例を示した図である。本発明が適用される旋回式の工具マガジンを備えた工具交換装置を示した図である。

以下、本発明の一実施形態を図面と共に説明する。
まず、工具のイナーシャと工具重量をもとに工具形状を推定し、重心位置を算出する方法について説明する。図１は、いくつかの種類の工具の概略図を示しており、図１（ａ）はミリング工具１１、図１（ｂ）はドリル工具１２、図１（ｃ）はフライス工具１３を示している。いずれの工具もほぼ同一の形状の工具ホルダ部１４を備えている。また、ミリング工具１１及びドリル工具１２の先端部には、刃物部１６が装着されている。

ここで、工具ホルダ部１４に装着される部位は、工具の種類によって高さや幅が異なるものの、ミリング工具１１、ドリル工具１２における刃物部１６装着部分や、フライス工具１３については、いずれも略円柱形状となっていることが多い（以下、この部分を円柱部１５とする）。また、ミリング工具１１、ドリル工具１２における刃物部１６は、重量及び回転軸周りのイナーシャが、その他の部分に比べてかなり小さいことから、おおまかに工具重心位置を推定する際には、無視して計算することが可能である。

そうすると、図１に示されているミリング工具１１、ドリル工具１２、フライス工具１３は、いずれも図２に示されているような工具ホルダ２１と円柱部２２とからなる工具形状モデルとして考えることができる。

次に、この工具形状モデルを用いて、工具の形状を推定する。
円柱部２２の密度をρ、半径をｒ、高さをｈとすると、円柱部２２の重量Ｍ_ｃ、回転軸周りのイナーシャＩ_ｃは以下のとおりとなる。

また、工具全体の重量をＭ、回転軸周りのイナーシャをＩとし、工具ホルダ部２１の重量をＭ_ｔ、回転軸周りのイナーシャをＩ_ｔとすると、ＭとＩは以下のとおりとなる。

ここで、工具ホルダ部２１は共通部分であるため、詳細な寸法および重量を測定しておくことにより、Ｍ_ｔ、Ｉ_ｔの値をあらかじめ定めておくことが可能である。
これらの式から、ｒとｈは以下のとおり求められる。

このようにして、円柱部２２のｒとｈを求めて、工具の形状を推定することが可能である。なお、ここでは工具の円柱部２２の密度ρが既知であるものとして工具形状の推定を行ったが、密度ρが不明である場合には、工具の高さｈとして、実際の工具の高さ等を用いて既知であるものとして、ｒおよびρの算出を行うことも可能である。

次に、このようにして推定した工具形状から、工具の重心位置を推定する。
工具のプルスタッド先端から、工具ホルダ部２１の重心までの距離をＧ_ｔ、工具のプルスタッド先端から、円柱部２２の重心までの距離をＧ_ｃとすると、工具ホルダ部２１と円柱部２２とを合わせた工具全体の重心までの距離Ｇは、以下の式で求められる。

ここで、工具ホルダ部２１はすべての工具で共通としており、共通の値として、Ｇ_ｔの値をあらかじめ定められているものとする。また、円柱部２２の重心位置Ｇ_ｃ、重量Ｍ_ｃについては、工具ホルダ部２１の長さをｈ_ｔとすると、以下のとおりとなる。

これにより、推定した工具形状をもとに、工具全体の重心位置を推定することが可能となる。

以上の方法では、工具全体の重心位置の推定方法として、工具の刃物部の形状を無視して工具形状の推定を行ったが、工具重量と工具イナーシャに加えて、刃物部の径である工具径と刃物部の先端までの長さである工具長のデータがある場合には、刃物部を含めたモデルを用いることにより、さらに正確な工具全体の重心位置の推定を行うことが可能となる。

この場合には、図３に示されている工具形状モデルを用いて、工具全体の重心位置の推定する。
刃物部３３の重量Ｍ_ｋ、回転軸周りのイナーシャＩ_ｋは、刃物部３３の径をＲ、工具長をＬとすると、以下のとおりとなる。

そして、これらの重量Ｍ_ｋ、回転軸周りのイナーシャＩ_ｋを用いて、ＭとＩは以下のとおりとなる。

こうして求められたＭ，Ｉの値を用い、図２の工具形状モデルの場合と同様に、ｈ，ｒを求めることにより、工具形状の推定を行い、工具の各部分の重心位置と重量を求めて、工具全体の重心位置を推定することが可能となる。
このように、工具の重心位置を推定する装置を用いることにより、工具イナーシャと工具重量などの基本的なデータから工具の重心位置を推定することが可能となる。

また、この工具重心位置推定装置を工作機械に取り付けた場合には、工具イナーシャを入力する代わりに、主軸モータのトルクと角速度とから工具イナーシャの値を推定することが可能となる。次に、この工具イナーシャの推定方法について説明する。

図４は、工作機械の一例を示した図であり、４１は工具、４２は主軸、４３は主軸モータ、４４は主軸回転軸である。主軸４２に工具４１を装着し、主軸モータ４３によって回転させることによって加工を行っている。
まず、主軸４２回転時の、主軸モータ４３のトルクＴと角速度αとから、主軸４２周りの工具４１のイナーシャを推定する。主軸４２単体のイナーシャをＩｓ、工具のイナーシャをＩとすると、次の式が成り立つ。

このようにして、工具４１の主軸４２周りのイナーシャを推定することができる。
主軸モータ４３と主軸４２との間に減速機能を持つ工作機械においても、主軸モータ４３のトルクに減速比を積算することによって、主軸に加わるトルクを求めることができ、このトルクの値を用いて、工具イナーシャの推定を行うことが可能である。

このようにして推定された工具形状や工具重心位置は、一例として以下のように用いることで、工作機械の動作を適切に設定することが可能となる。
図５は、旋回式の工具マガジンを備えた工具交換装置であり、５１は工具マガジン、５２は工具マガジン５１に装着された工具、５３は工具５２を把持可能な工具把持部５３である。工具マガジン５１に装着される工具５２については、あらかじめ、これまで説明した推定方法によって、工具形状や工具重心位置を推定しておき、工具５２が把持される工具マガジン５１の工具把持部５３に付与された工具番号と対応させて、工具形状データや工具重心位置データとして格納しておく。

そして、格納された各工具５２の工具形状データや工具重心位置データと、各工具５２の重量、工具マガジン５１の旋回中心から工具重心位置までの距離をもとに、旋回軸周りのイナーシャを算出することが可能となる。旋回軸周りのイナーシャに応じて工具マガジン５１の旋回速度を変更することによって、工具５２の脱落を防止しつつ、十分な速度で工具マガジン５１を旋回させることが可能となる。

また、工具重心位置推定装置によって工具の形状を推定するにあたっては、あらかじめ工具の形状として許容される範囲を定めておき、推定された工具の形状が範囲を超えた場合には、図示しない表示装置によって工具の形状が所定範囲を外れている旨を知らせるメッセージを表示させたり、図示しないランプやスピーカから、光や音によって警告を出すようにすることも可能である。これにより、所定の範囲を超えた工具を無理に動作させることによって、周囲との干渉が生じたり、干渉により機械の故障が生じることを未然に防止したり、工具や機械の異常を早期に発見することが可能となる。

さらに、あらかじめ工具の形状として許容される範囲を定めておき、推定された工具の形状が範囲を超えた場合に代えて、前回推定されて格納されている工具形状データや工具重心位置データと、今回推定された工具形状データや工具重心位置データとの間で許容範囲以上の差異が生じている場合に、図示しない表示装置によって工具の形状が所定範囲を外れている旨を知らせるメッセージを表示させたり、図示しないランプやスピーカから、光や音によって警告を出すようにすることも可能である。この場合においても、所定の範囲を超えた工具を無理に動作させることによって、周囲との干渉が生じたり、干渉により機械の故障が生じることを未然に防止したり、工具や機械の異常を早期に発見することが可能となる。

本実施形態においては、工具形状モデルとして、工具ホルダ部と円柱部からなるもの、および工具ホルダ部と円柱部と刃物部からなるものの２種類について説明したが、本発明で用いる工具形状モデルとしては、この２種類に限らず、適宜変形することも可能である。例えば、使用しうる工具が限られている場合などには、共通部の割合の高い工具形状モデルを用いることにより、より正確な工具重心位置の推定が可能となる。

１１ミリング工具
１２ドリル工具
１３フライス工具
１４工具ホルダ部
１５円柱部
１６刃物部
２１工具ホルダ部
２２円柱部
３１工具ホルダ部
３２円柱部
３３刃物部
４１工具
４２主軸
４３主軸モータ
５１工具マガジン
５２工具
５３工具把持部

Claims

工具の工具イナーシャおよび工具重量データを格納するデータ格納手段と、
所定の工具形状モデルにおける形状データと工具イナーシャとの関係式および前記形状データと工具重量との関係式を記憶した関係式記憶手段と、
前記データ格納手段に格納された工具の工具イナーシャおよび工具重量と、前記関係式記憶手段に記憶した前記関係式から前記形状データの値を算出する算出手段と、
前記算出手段によって算出された前記形状データの値から工具形状を推定する工具形状推定手段と、
前記工具形状推定手段により推定した工具形状に基づいて、工具の重心位置を算出する工具重心位置算出手段、
とを有することを特徴とする工具重心位置推定装置。
前記工具形状モデルは、工具ごとに共通の工具ホルダ部と、工具ごとに径および高さが異なる円柱部とから構成されることを特徴とする請求項１に記載の工具重心位置推定装置。
前記工具形状モデルは、工具ごとに共通の工具ホルダ部と、工具ごとに径及び高さが異なる円柱部と、工具ごとに異なる刃物部とから構成され、
前記工具イナーシャ及び前記工具重量に加え、前記工具の工具長および工具径データを基に前記工具形状モデルの形状データの値を算出することを特徴とする請求項１に記載の工具重心位置推定装置。
主軸と、該主軸を回転させる主軸モータとを備えた工作機械において、
前記工作機械の前記主軸のイナーシャを格納する工作機械データ格納手段と、
前記主軸モータの負荷トルクを検出するトルク検出手段と、
前記主軸の回転の角加速度を検出する角加速度検出手段と、
前記トルク検出手段によって検出された負荷トルクと、前記角加速度検出手段によって検出された角加速度に基づいて推定された工具の装着された主軸のイナーシャから、前記工作機械データ格納手段に格納された、工具の装着されていない主軸のイナーシャを差し引くことで、工具の工具イナーシャを推定する工具イナーシャ推定手段と、
前記工具の工具重量データおよび前記工具イナーシャを格納するデータ格納手段と、
所定の工具形状モデルにおける形状データと工具イナーシャとの関係式および前記形状データと工具重量との関係式を記憶した関係式記憶手段と、
前記データ格納手段に格納された工具の工具イナーシャおよび工具重量と、前記関係式記憶手段に記憶した前記関係式から前記形状データの値を算出する算出手段と、
前記算出手段によって算出された前記形状データの値から工具形状を推定する工具形状推定手段と、
前記工具形状推定手段により推定した工具形状に基づいて、工具の重心位置を算出する工具重心位置算出手段、
とを有することを特徴とする工作機械。
前記工具形状モデルは、工具ごとに共通の工具ホルダ部と、工具ごとに径および高さが異なる円柱部とから構成されることを特徴とする請求項４に記載の工作機械。
前記工具形状モデルは、工具ごとに共通の工具ホルダ部と、工具ごとに径及び高さが異なる円柱部と、工具ごとに異なる刃物部とから構成され、
前記工具イナーシャ及び前記工具重量に加え、前記工具の工具長および工具径データを基に前記工具形状モデルの形状データの値を算出することを特徴とする請求項４に記載の工作機械。
前記主軸に対して着脱される複数の工具を工具把持部において保持可能な工具マガジンを備えた工作機械において、
前記工具把持部には互いに識別可能な識別符号が付与されており、
前記工具形状推定手段により推定した工具形状を、前記識別符号と対応させて格納する、工具形状データ格納手段を備えたことを特徴とする請求項４乃至６の何れか１つに記載の工作機械。
前記主軸に対して着脱される複数の工具を工具把持部において保持可能な工具マガジンを備えた工作機械において、
前記工具把持部には互いに識別可能な識別符号が付与されており、
前記工具重心位置算出手段により算出した工具の重心位置を、前記識別符号と対応させて格納する、工具重心位置データ格納手段を備えたことを特徴とする請求項４乃至６の何れか１つに記載の工作機械。
前記工具形状推定手段により推定した前記工具形状が、あらかじめ定められた制限寸法の範囲を超えている場合に、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ことを特徴とする請求項４乃至６の何れか１つに記載の工作機械。
前記工具形状推定手段により推定した前記工具形状と、前記データ格納手段に格納されている前記工具の前記工具重量データおよび前記工具イナーシャとを比較する工具形状比較手段と、
前記工具形状比較手段による比較結果の差異が一定以上の場合にメッセージを表示するメッセージ機能あるいは警告を発生するアラーム機能を有することを特徴とする請求項４乃至６の何れか１つに記載の工作機械。