JP5912626B2 - 工作機械の消費電力算出装置 - Google Patents

Description

この発明は、被加工物（ワーク）の切削加工や研削加工を行う工作機械の消費電力を算出する装置に関するもので、ＮＣ装置の制御下で運転される機器の消費電力を算出する装置に関するものである。

エネルギー資源の需要の増大や地球温暖化防止のために消費電力を低減することは、工作機械の分野においても緊急の課題となっており、その一環として工作機械が消費する電力を計測して、これを管理することが必要になっている。

工作機械を制御しているＮＣ装置は、軸制御部（ＮＣ部）と補助機器の制御部（ＰＣ部）とを備えている。ＮＣ部は、ワークの加工自体を行う主軸モータや工具送りモータを制御する部分で、スピンドルアンプやサーボアンプを介して主軸モータや工具送りモータを制御している。ＰＣ部は、切削液供給装置、工具交換装置、ワーク排出装置などのワークの加工に伴って必要な補助機器の動作ないし運転停止を制御している。工作機械の消費電力は、ＮＣ部が制御している機器が消費する電力と、ＰＣ部が制御している機器が消費する電力と、制御器自体が消費する電力とを加えたものである。

工作機械の消費電力のうち、ＮＣ部で制御されている主軸モータや工具送りモータが消費する電力は、加工負荷によって大きく変化する。例えば旋削加工であれば、工具の切込み量を大きくすると主軸モータのトルクと工具送りモータのトルクとが共に増大する。また、フライス加工であれば、工具の切込み量を大きくすると、工具モータのトルクが増大する。また、切削速度を高めれば、主軸モータや工具送りモータの回転数の増加による消費電力量の増加が起る。工作機械の消費電力の大半は、ワークや工具を回転するスピンドルモータや工具や移動主軸を送るサーボモータによって消費される。そして、これらのモータが消費する電力は、これらのモータに流れる電流がスピンドルアンプやサーボアンプで把握される関係上、ＮＣ装置で計測することが可能である。

ＰＣ部で制御される補助動作には、ワークの搬入・搬出、工具交換、ドアの開閉など、あるタイミングで一連の動作として行われる動作と、切削液や作動油の供給、エアフローやワーク吸着のための空気圧の供給、切粉の排出などの一定時間継続される動作とがある。この明細書では、前者を順次動作、後者を継続運転動作と呼ぶこととする。

順次動作や継続運転動作などの補助動作は、通常、加工プログラムのＭコードで指令される。例えば２主軸対向旋盤における右主軸からのワーク排出動作は、１ブロックのＭコード（例えばＭ３６８）で記述され、このＭコードを受けたＰＣ部は、複数の機器を順次動作させて、
(1) ワーク受具を待機位置からワーク受取位置に移動
(2) ワーク受具のアーム前進と同時に右主軸台をワーク受渡位置に移動
(3) アーム先端のハンド下降
(4) ハンド開
(5) 右主軸チャック開
(6) 右主軸後退
(7) ハンド上昇
(8) アーム後退
(9) ワーク受具を待機位置に復帰
(10)ハンド下降
(11)ハンド開（ワークを搬出コンベア上に落とす）
(12)ハンド上昇（待機状態に復帰）
のような手順による一連の動作を実行する。

一方、継続運転動作は、動作開始を指令するコード（例えばＭ０７：冷却液の供給開始）と動作の終了を指令するＭコード（例えばＭ０９：冷却液停止）とが加工プログラム中の異なるブロックに記述される。

順次動作は、上記のワーク排出の他に、工具交換、自動ドアの開と閉（それぞれが一動作のみの順次動作）などがあり、継続運転動作としては、上記の冷却液供給動作の他に、ミストコレクタやチップコンベアの起動・停止などを例示することができる。

ＰＣ部は、補助機器を駆動するモータの電源スイッチのオンオフや作動油の流路を切換える電磁弁のソレノイド電流のオンオフを制御することによって上記に例示したような動作を制御しているので、制御対象となっている機器に流れる電流値を知ることができない。更にＰＣ部によって制御される機器やその動作は、工作機械の種類や個々の工作機械に要求される仕様によって千差万別であり、ユーザ側の都合によって設計変更されることも多いので、これらの補助機器の消費電力を制御装置で計測することは不可能である。

従って、補助動作で消費される電力を含めた工作機械全体の消費電力を計測するためには、電力計を設置する必要があった。特許文献１には、この電力計を設置することによるコスト増加を避けるために、機械に設置されている総てのアクチュエータについて単位時間当たりの消費電力と起動時に生ずるピーク電力を計測して制御器のメモリに記憶し、各アクチュエータの動作時間を積算するタイマと、動作回数を積算するカウンタとを設けて、単位時間当たりの消費電力に動作時間を掛けたものと、ピーク電力に動作回数とを掛けたものとの和を算出し、これに制御装置などで消費される固定電力量及びスピンドルモータやサーボモータの電力量を加算して機械全体の消費電力量を算出することによって、電力計を設けることなく、工作機械全体の消費電力を計測するという提案がなされている。

特開２０１１−１７０４４８号公報

特許文献１でも指摘されているように、電力計を設置するとコスト高になる。一方、特許文献１で提案されている手段では、工作機械が備える全てのアクチュエータについて単位時間当たりないし一動作毎の消費電力を登録し、またそれら全てのアクチュエータについてその動作回数と動作時間とを記憶して演算処理を行うため、登録に必要な作業量やメモリ量が多く、処理にも時間がかかるという問題がある。

そこでこの発明は、工作機械の消費電力の算出において、高価な電力計を使用せず、データの登録やメモリ量も少なくて済み、機械で消費される電力、特に機械停止時の消費電力をより正確に算出することができる技術手段を得ることを課題としている。

前述したように、工作機械の補助動作のうち、所定のタイミングで短時間に行われるもの、すなわち、ワークの搬入・搬出、工具交換などの順次動作は、加工プログラム上では、通常、１ブロックのＭコードで記述される。順次動作を指令するＭコードには、自動ドアの開・閉のように１個のアクチュエータの１回の動作で行われるものもあるが、１個のＭコードで複数のアクチュエータを順次動作させるものが多い。一方、切削液や作動油の供給や温度コンバータ、切粉排出コンベアの運転などは、その開始と終了とが加工プログラム上でそれぞれのタイミングで指令される。

この発明は、このことに着目して、加工プログラム上で運転開始と終了が個別に指令される切削液ポンプなどの運転については、その単位運転時間当たりの消費電力をメモリに登録し、これに運転時間を乗ずることによって消費電力を計算し、一方、ワークの搬入・搬出などの加工プログラムで１ブロックのＭコードなどで指令される一連の動作については、その一つのコード（ブロック）で指令される一連の動作当たりの消費電力、すなわち複数のアクチュエータが順次動作する場合であってもその順次動作全体として消費される電力量を計測してメモリに登録し、加工プログラムで当該コードが指令される毎に、そのコードについて記憶した電力量を加算する。そして、ＮＣ部から得た主軸モータや送りモータなどの主要機器の消費電力量と、上記の運転時間に基づいて計算した電力量及び指令回数に基づいて積算した電力量とを合算し、更に制御器などで消費される基礎電力量を合算することにより、機械全体としての消費電力を取得しようとするものである。

すなわち、１ブロックのコードで１個の又は一連の動作の開始から終了までが指令される順次動作のそれぞれについて、その指令単位で予め電力を計測して制御器に登録し、それに各順次動作の指令回数を乗ずることにより、順次動作が全体として消費した消費電力を算出する。一連の順次動作で複数のアクチュエータが動作する場合でも、指令単位で消費電力の登録及び動作回数のカウントを行うため、演算処理が少なく、メモリの節約になる。

また、切削液の吐出、清掃のためのエアーブロー、切削液や油圧液温度コンバータ、作動油ポンプ、チップコンベア、ミストコレクターなどのように、その開始と終了とが別のブロックで指令され、その開始指令から終了指令までのあいだ継続して運転されるものは、その単位時間当たりの消費電力を予め計測して登録し、起動してから停止するまでの時間を乗じて消費電力を算出する。

更に、機械停止中においても制御器などで消費される基礎電力については、自動運転、手動運転、非常停止状態等の状態（モード）別に単位時間当たりの消費電力の計測と登録とを行い、各状態毎の稼働時間を乗じて基本的に消費される定消費電力を演算する。

前述したように、工作機械全体の消費電力の７０〜８０％を占める主軸モータや工具送りモータの消費電力は、ＮＣ装置で検出されているので、これに上記演算された順次動作の消費電力、継続運転動作の消費電力及び基礎電力の全てを加算することにより、工作機械で消費される総消費電力を計測することができる。

工作機械に設けられている多数のアクチュエータの各々について単位消費電力の登録と動作回数のカウントないし動作時間の計時を行う必要がなくなるので、単位消費電力の計測と登録に必要な手間が大幅に低減され、消費電力の算出処理が簡単にでき、メモリも少なくてよい。

また、機械電源投入時に制御器などで消費される電力は、機械の状態により異なり、この基礎消費電力を複数の状態に分けて算出しているので、消費電力をより正確に計測できる。

この発明の一実施形態のブロック図

図１は、この発明の実施形態を示すブロック図である。ＮＣ装置１は、ＮＣ部２とＰＣ部（コントローラ部）３とを備えている。ＮＣ部２は、スピンドルアンプ２１・・・を介してスピンドルモータ２２・・・を制御している。スピンドルモータ２２・・・は、例えば主軸モータや回転工具駆動モータであり、各モータ毎に当該モータ用のスピンドルアンプを備えている。ＮＣ部２は、また、サーボアンプ２３・・・を介してサーボモータ２４・・・を制御している。サーボモータ２４・・・は、例えば刃物台のＸ軸送りモータやＹ軸送りモータで、複数の刃物台があれば、それぞれの刃物台についてＺ軸、Ｘ軸、更にＹ軸、Ｂ軸用など、必要な数の送りモータが設けられ、それぞれのモータ毎にそれぞれのサーボアンプが設けられる。ＮＣ部２は、スピンドルアンプ２１・・・やサーボアンプ２３・・・により、スピンドルモータ２２・・・やサーボモータ２４・・・及びそれらのアンプ２１・・・、２３・・・が消費する電力を常時検出しており、その消費電力は、主消費電力記憶部２５に記憶される。

ＰＣ部３は、工作機械に設けられる種々の補助機器３２・・・のモータや電磁弁のソレノイドのオンオフスイッチ３１・・・を制御している。ＰＣ部３は、タイマ３３を内蔵しており、工作機械に設けたリミットスイッチなどの各種センサ３４・・・が接続されている。工具交換などの順次動作は、Ｍコードによって当該動作が指令されたときに、予めＰＣ部にプログラムされた手順に従って、一つ又は複数の機器を連続的に順次動作させて、工具交換やワークの排出などの動作を行う。ＰＣ部３は、継続運転機器の起動指令や停止指令を受けたときは、該当する機器の電源スイッチをオン又はオフする。継続運転機器は、オンからオフの間、連続運転される。

ＮＣ装置１は、動作電力計測部４と、運転電力計測部５と、基礎電力計測部６とを備えている。動作電力計測部４は、順次動作を指令するＭコードの種類に対応する数の単位動作電力記憶部４１・・・と、当該数の動作カウンタ４２・・・と、動作電力演算部４３・・・とを備えている。単位動作電力記憶部４１・・・には、対応するＭコードで指令される順次動作の一動作で消費される電力が、それぞれの順次動作毎に予め計測されて登録されている。

運転電力計測部５は、継続運転される機器の数に対応する数の単位運転電力記憶部５１・・・と、当該数の運転タイマ５２・・・と、運転電力演算部５３・・・とを備えている。単位運転電力記憶部５１・・・には、対応する機器の単位運転時間当たりの消費電力が、それぞれの機器毎に予め計測されて登録されている。

基礎電力計測部６は、切り換えられる複数の運転状態、この実施態様の例では、自動運転モード、手動運転モード及び非常停止モードの３種類の状態数に対応する数の単位基礎電力記憶部６１・・・と、当該数の状態タイマ６２・・・と、基礎電力演算部６３・・・とを備えている。単位基礎電力記憶部６１・・・には、各状態毎に、工作機械か電源を投入されてはいるが全ての動作を停止している状態で消費される単位時間当たりの基礎消費電力が予め計測されて登録されている。

ＮＣ装置１は、加工プログラムの１ブロック（一行）を読み取るブロック読取部１１と、読み取ったブロックに記述されているコードを解析するコード解析部１２とを備えている。解析したコードがＮＣ制御用のコードであれば、コード解析部１２は、解析した指令信号をＮＣ部２に送ってスピンドルモータ２２・・・やサーボモータ２４・・・を制御する。読み取ったコードが補助動作を指令するコードであれば、コード解析部１２は、解析した指令信号をＰＣ部３に送って、補助機器３２・・・の動作の運転・停止を制御する。

コード解析部１２は、更に、読み取ったコードが順次動作を指令するコードのときは、当該コードに対応して設けられた動作カウンタ４２・・・を一つカウントアップする。また、読み取ったコードが継続運転機器の起動指令であれば、当該機器に対応する運転タイマ５２・・・の計時を開始し、停止指令であれば、当該運転タイマ５２・・・の計時動作を終了させる。運転タイマ５２・・・は、それぞれの機器について運転時間を積算して計時する。

ＮＣ装置１には、メインスイッチ１３と、手動自動切換スイッチ１４と、非常停止スイッチ１５とが設けられている。手動自動切換スイッチ１４は、工作機械の運転状態を自動、省エネ自動、手動及び省エネ手動の４状態に切り換える。これらのスイッチの切換信号により、状態タイマ６２・・・の一つが選択され、状態タイマ６２・・・は、それぞれの状態、すなわち自動運転モード、省エネ自動運転モード、手動運転モード、省エネ手動運転モード、非常停止モードとなっている時間を積算して計時している。それぞれの運転モードにおける幾つかの機器に対応する制御部のオンオフ状態の例を表１に示す。

このオンオフ状態の相違のため、それぞれの運転モードで制御器が消費する基礎電力に相違が生ずるので、基礎電力計測部６は、それぞれの運転モード毎に当該モードのときに消費される単位基礎電力を予め計測して単位基礎電力記憶部６１・・・に記憶し、それぞれのモードでの運転時間を状態タイマ６２・・・で計測し、両者を乗ずることにより、基礎消費電力を演算しているのである。

動作電力演算部４３・・・は、全ての順次動作について、単位動作電力記憶部４１・・・に記憶された電力値に動作カウンタ４２・・・のカウント値を乗じて合算することにより、ＰＣ部が指令した全ての順次動作によって消費された電力を求める。同様に、運転電力演算部５３は、起動コードと停止コードによって起動・停止を制御された全ての補助機器３２について、単位運転電力記憶部５１・・・に記憶された電力値に運転タイマ５２・・・の計時値を乗じて合算することにより、ＰＣ部が運転停止を制御した全ての継続運転機器によって消費された電力を求める。同様に、基礎電力演算部６３・・・は、全ての運転モードについて、単位基礎電力記憶部６１・・・に記憶された電力値に状態タイマ６２・・・の計時値を乗じて合算することにより、工作機械のメインスイッチが投入されている間に制御装置などによって消費された電力を求める。

ＮＣ装置１に設けられた総消費電力演算部１６及びその表示部１７は、主消費電力記憶部２５、動作電力演算部４３・・・、運転電力演算部５３・・・及び基礎電力演算部６３・・・に記憶ないし算出された消費電力を合計し、オペレータの指令に応じてディスプレイに表示する。またＮＣ装置１のデータ送信部１８は、管理コンピュータからの指令に応答して、総消費電力演算部１６で算出した総消費電力を管理コンピュータに送信する。

主消費電力記憶部２５、動作カウンタ４２・・・、運転タイマ５２・・・及び状態タイマ６２・・・は、手動の指令により、管理コンピュータの指令により、又は予め定められたタイミングで同時にリセットされ、その後で新たに消費電力の計測を開始する。リセットするタイミングは、各日の稼働開始時、各月の初日における稼働開始時、加工するワークが変わったときの最初の稼働開始時などである。ＮＣ装置は、ワークの加工個数をカウントしているから、算出された総消費電力をその計測期間内のワークの個数で除することにより、ワーク１個あたりの加工に必要な電力も算出することができる。

１ 数値制御装置
１６ 総消費電力演算部
４１ 単位動作電力記憶部
４２ 動作カウンタ
４３ 動作電力演算部
５１ 単位運転電力記憶部
５２ 運転タイマ
５３ 運転電力演算部
６１ 単位基礎電力記憶部
６２ 状態タイマ
６３ 基礎電力演算部

Claims (3)

1. 加工プログラムに記述されたブロックを順次読み取って当該ブロックのコードに対応する動作指令ないし運転指令を工作機械本体に順次与える数値制御装置を備えた工作機械の消費電力算出装置であって、
   加工プログラムに１ブロックとして記述される順次動作のそれぞれについて１回の順次動作で消費される単位動作電力を記憶する単位動作電力記憶部と、加工プログラムに起動用ブロックと停止用ブロックで記述される継続運転動作のそれぞれについて各継続運転動作の一単位時間当たりに消費される単位運転電力を記憶する単位運転電力記憶部と、それぞれの順次動作毎にその動作回数をカウントする動作カウンタと、それぞれの継続運転動作毎にその運転時間を計測する運転タイマと、それぞれの順次動作毎にその単位動作電力量に動作カウンタのカウント値を乗じた電力量を演算する動作電力演算部と、それぞれの継続運転動作毎にその単位運転電力に前記運転タイマの計時値を乗じた電力量を演算する運転電力演算部とを備えていることを特徴とする、工作機械の消費電力算出装置。
2. 工作機械の電源が投入されかつ工作機械が停止している待機状態で単位時間に消費される単位基礎電力を複数の待機モード毎に記憶する単位基礎電力記憶部と、工作機械の電源が投入されてから遮断される迄の間におけるそれぞれの待機モード毎の経過時間を計測する状態タイマと、それぞれの待機モードにおける単位基礎電力に状態タイマの計時値を乗ずる基礎電力演算部とを備えている、請求項１記載の工作機械の消費電力算出装置。
3. 制御装置が計測した消費電力量と前記動作電力演算部及び運転電力演算部が算出した消費電力量と、前記基礎電力演算部が演算した基礎電力消費量とを集計して総消費電力量を演算する総消費電力演算部を備えている、請求項２記載の工作機械の消費電力算出装置。

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