JP6457778B2 - 数値制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、モータの温度上昇を監視して過負荷停止を行なう数値制御装置に関する。
モータが過負荷となる状態で運転を続けると、モータ巻線の温度が上昇し、やがて、巻線が焼損する。そこで、従来の数値制御装置では、サーミスタ等の温度検出器をモータ巻線内に埋め込み、許容温度を超えた場合にはアラームを発し、モータの通電を遮断していた。
また、上記温度検出器を用いる温度検出方法とは別に、電子サーマル方式によりモータ巻線の温度を算出し、許容温度を超えた場合に装置をアラーム状態とし、モータの通電を遮断していた。電子サーマル方式は、電流指令値や、電流検出値の履歴により発熱量や放熱量を計算することで、モータ温度を検出する方式である。（特許文献１，２及び３参照）
従来の数値制御装置について図２を用いて説明する。図２は、従来の数値制御装置の代表的な制御ブロックを示すブロック図である。
まず、ＮＣ指令部１は、加工プログラムを解析し、補間処理や加減速処理を加えた後に、位置指令Ｐ※を位置制御部２に送る。位置制御部２は、エンコーダ７からの位置帰還Ｐと位置指令Ｐ※を入力とし、それら入力を用いてＰ制御等の演算を行うことにより速度指令Ｖ※を算出する。次に先ほど算出した速度指令Ｖ※と、エンコーダ７からの速度帰還Ｖを速度制御部３に入力する。速度制御部３は、それら入力に対してＰＩ制御等の演算を行い、電流指令Ｉ※を算出する。電流制御部４は、電流帰還Ｉと電流指令Ｉ※を入力とし、それら入力からインバータ駆動指令を算出する。インバータ回路５は、そのインバータ駆動指令に基づき、モータ６に電流を印加しモータ６を運転する。また、工作機械の主軸のように速度制御で制御する場合には、ＮＣ指令部１から、位置指令Ｐ※ではなく速度指令Ｖ１※を直接、速度制御部３に送る。
モータ６の温度としては、モータ６の巻線に設置した温度検出器から出力されるモータ温度Ｔか、もしくは、特許文献１に記載された電子サーマル方式により、電流指令Ｉ※もしくは電流帰還Ｉを温度推定部８に入力し算出したモータ温度Ｔｗを用いる。
モータ温度Ｔまたはモータ温度Ｔｗは、温度比較部９に入力され、あらかじめ記憶装置１０に記憶された許容温度Ｔｍａｘと比較される。この比較で、Ｔｍａｘ≦ＴもしくはＴｍａｘ≦Ｔｗとなった場合、温度比較部９は、通電遮断指令を電流制御部４に送ってモータへの通電を遮断し、数値制御装置をアラーム状態としていた。
特開平９−２６１８５０号公報 特開平６−２５３５７７号公報 特開２００８−６１３０２号公報
例えば、従来の数値制御装置を搭載した工作機械（マシニングセンタ）は、ワークを搭載したテーブルを駆動し、主軸にセットした工具を回転させることで、移動するテーブル上のワークを加工する。もし加工中にテーブルを駆動する送り軸モータの巻線温度が上昇して許容温度を超え、送り軸モータや主軸モータへの通電が遮断されたとすると、モータやテーブルには慣性があり急停止できないため、テーブルが流れ、工具がワークに食い込み、ワークや機械本体が損傷するという問題があった。また、損傷を避けるために、全モータを停止してから通電を遮断するように制御したとしても、加工中に工具が停止するとワークに工具が食い込むといった問題がある。また、モータ温度が下がって加工を再開した際、停止時点から再開時点までの時間変化で機械の温度も変わるため、機械の熱変位によりワークの加工部分に段差ができ、加工したワークが製品として使用できなくなるという問題もあった。
また、モータ巻線温度が許容温度を超えてモータへの通電が遮断される事態が加工中以外のタイミングで発生すれば、ワークや機械本体は損傷しない。しかし、例えば夜間等にライン機で工作機械を無人運転させている場合にそのような事態が生じた場合、仮にワークや機械本体が損傷しなかったとしても、翌日機械を再稼動させるまで機械が停止することになり、機械の稼働率が低下するという問題があった。
本発明は、これら問題の少なくとも１つを解消することを目的とする。
上記課題を解決するために本発明における数値制御装置は、加工プログラムを実行して位置指令を出力するＮＣ指令部と、前記位置指令とモータの可動子位置を検出するエンコーダからの位置帰還とを入力とし、それら入力から速度指令を求めて出力する位置制御部と、前記速度指令と前記エンコーダからの速度帰還とを入力とし，それら入力から電流指令を求めて出力する速度制御部と、前記電流指令と電流帰還とを入力とし、それら入力からインバータ駆動指令を算出する電流指令部と、前記インバータ駆動指令に基づいてモータを制御するインバータ回路と、前記モータの温度を検出又は推定するモータ温度検出部と、前記モータ温度検出部が検出又は推定した前記モータの温度のあらかじめ定められたモータ許容温度に対する負荷割合を算出し、算出した負荷割合があらかじめ定められた比較値を超えた場合に、前記ＮＣ指令部に、前記加工プログラムのシーケンスの区切り、もしくは、前記加工プログラムの終了まで前記加工プログラムを実行させた後に、前記モータへの通電を遮断するように制御する制御部と、を有し、前記比較値は、前記加工プログラムの１サイクルの時間が長くなるほど低い値となるよう設定されていることを特徴とする。
また、本発明の別の側面は、加工プログラムを実行して位置指令を出力するＮＣ指令部と、前記位置指令とモータの可動子位置を検出するエンコーダからの位置帰還とを入力とし、それら入力から速度指令を求めて出力する位置制御部と、前記速度指令と前記エンコーダからの速度帰還とを入力とし，それら入力から電流指令を求めて出力する速度制御部と、前記電流指令と電流帰還とを入力とし、それら入力からインバータ駆動指令を算出する電流指令部と、前記インバータ駆動指令に基づいてモータを制御するインバータ回路と、前記モータの温度を検出又は推定するモータ温度検出部と、前記モータ温度検出部が検出又は推定した前記モータの温度のあらかじめ定められたモータ許容温度に対する負荷割合を算出し、算出した負荷割合があらかじめ定められた比較値を超えた場合に、前記加工プログラムで指令される切込み量を小さくするよう制御し、前記比較値は、加工負荷が高い加工ほど小さい値に設定されていることを特徴とする。
本発明の数値制御装置では、モータ許容温度Ｔｍａｘに対するモータ温度Ｔｗの負荷割合が、設定した所定の負荷割合（比較値Ｔｐ）を超えた場合には、数値制御装置が自動で、加工プログラムのシーケンスの区切り、もしくは、加工プログラムの終了まで実行した後に、通電を遮断するようにした。これにより、加工中に通電が遮断され、ワークや機械本体が損傷するという問題がなくなる。
また、本発明の別の側面では、モータ許容温度Ｔｍａｘに対するモータ温度Ｔｗの負荷割合が、設定した所定の負荷割合（比較値Ｔｐ）を超えた場合には、加減速時の負荷や、加工負荷を低下させ、モータ温度を比較値Ｔｐ以下になるまで低下させるために、数値制御装置が自動で、加工プログラムで指令した切込み量を小さくするようにした。これにより、モータ過負荷となる前にモータ温度が許容温度を超える可能性を減らすことができるため、機械を停止させることなく連続加工ができる可能性を高くすることができる。
本発明の一実施形態の数値制御装置の制御ブロックの一例を示すブロック図である。 従来の数値制御装置の制御ブロックを示すブロック図である。
以下、本発明の第１の実施例について、図１を用いて説明する。図１は、本発明の数値制御装置の制御ブロックを示すブロック図である。まず、ＮＣ指令部１は、加工プログラムを解析し、解析結果に補間処理や加減速処理を加えて位置指令Ｐ※を生成し、生成した位置指令Ｐ※を位置制御部２に送る。位置制御部２は、エンコーダ７からの位置帰還Ｐと位置指令Ｐ※を入力とし、それら入力に対してＰ制御等の演算を行い速度指令Ｖ※を算出する。速度制御部３は、位置制御部２が先ほど算出した速度指令Ｖ※と、エンコーダ７からの速度帰還Ｖを入力とし、それら入力に対してＰＩ制御等の演算を行い電流指令Ｉ※を算出する。電流制御部４は、電流帰還Ｉと電流指令Ｉ※を入力とし、それら入力からインバータ駆動指令を算出する。インバータ回路５は、インバータ駆動指令に従ってモータ６に電流を印加しモータ６を運転する。また、主軸を速度制御で制御する場合には、ＮＣ指令部１から、位置指令Ｐ※ではなく速度指令Ｖ１※を直接速度制御部３に送り、速度制御部３はこの速度指令Ｖ１※とエンコーダ７からの速度帰還Ｖから電流指令Ｉ※を算出する。
モータ６の温度としては、モータ６の巻線に設置した温度検出器から出力されるモータ温度Ｔか、もしくは、温度推定部８が電子サーマル方式により電流指令Ｉ※もしくは電流帰還Ｉから算出したモータ温度Ｔｗを用いる。温度比較部９は、温度検出器が出力したモータ温度Ｔ、または、温度推定部８が推定したモータ温度Ｔｗと、あらかじめ記憶装置１０に記憶された許容温度Ｔｍａｘとにより、モータ許容温度Ｔｍａｘに対するモータ温度Ｔもしくはモータ温度Ｔｗの負荷割合Ｔ／ＴｍａｘもしくはＴｗ／Ｔｍａｘを求める。さらに、負荷割合Ｔ／ＴｍａｘもしくはＴｗ／Ｔｍａｘを、あらかじめ記憶装置１０に記憶された比較値Ｔｐと比較し、負荷割合Ｔ／ＴｍａｘもしくはＴｗ／Ｔｍａｘが比較値Ｔｐを超えた場合は、モータ温度ＴまたはＴｗが比較値Ｔｐを超えたという負荷情報Ｌｉを加工プログラム制御部１１へ送る。負荷割合Ｔ／ＴｍａｘもしくはＴｗ／Ｔｍａｘが比較値Ｔｐ以下の場合は、温度比較部９は何もしなくてよい。温度比較部９から負荷情報Ｌｉを受けた加工プログラム制御部１１は、ＮＣ指令部１に、加工プログラムのシーケンスの区切り、もしくは、加工プログラムの終了まで加工プログラムを実行させた後に、モータ６への通電を遮断し、数値制御装置の状態をアラーム状態にする処理を実行する。これにより、加工中に通電が遮断されワークや機械本体が損傷する、という問題がなくなる。
尚、比較値Ｔｐは１より小さい正の値に設定されるが、加工プログラムの１サイクルの時間が長くなるほど比較値Ｔｐをより低い値に設定することが望ましい。これは、加工プログラムが終了するより前にモータ温度が許容温度Ｔｍａｘに到達しアラーム状態となって、加工中にモータへの通電が遮断されてしまうこと、を防ぐためである。加工１サイクルの時間の長さごとの適切な比較値Ｔｐの値は、あらかじめ実験等で求めておけばよい。よって、比較値Ｔｐは、加工プログラムの長さによってオペレータが変更できるようにしておくことが望ましい。
次に本発明の第２の実施例について説明する。この第２の実施例の装置構成は、図１に示したものと同じである。この第２の実施例は、以下に説明する点が上記第１の実施例と異なるが，それ以外は上記第１の実施例と同様である。
上記第１の実施例では、負荷情報Ｌｉを受けた加工プログラム制御部１１は、加工プログラムのシーケンスの区切り、もしくは、加工プログラムの終了まで加工プログラムを実行した後に、モータ６への通電を遮断し、数値制御装置の状態をアラーム状態にする処理を実行していた。
これに対してこの第２の実施例では、負荷情報Ｌｉを受けた加工プログラム制御部１１は、許容温度Ｔｍａｘに対するモータ温度の負荷割合Ｔ／ＴｍａｘまたはＴｗ／Ｔｍａｘが比較値Ｔｐ以下になるまで、加工プログラムで指令した切込み量を小さくするように制御する。すなわち、加工プログラム制御部１１は、加工プログラム中で指定されている加工１サイクルあたりの切込み量を、それよりも低い値に変更し、その変更された切込み量に従い、ＮＣ指令部１に位置指令Ｐ※を算出させる。加工１サイクルあたりの工具（バイト等）の切込み量を小さくすると、指定された加工深さまで切削するまでに必要な加工の回数が増えるが、その代わりにモータの負荷が小さくなるのでモータの発熱も小さくなる。これにより、加工中にモータが許容温度Ｔｍａｘを超え通電が遮断される事態が発生する可能性を低くすることができる。例えば、切込み量を適切な値又は（元の値に対する）適切な割合まで下げることで、加工中にモータの温度が許容温度Ｔｍａｘを超えてしまうことをなくすこともでき、このようにすれば、機械を停止させることなく連続加工ができる。連続加工できるようにするために切込み量をどこまで（あるいは何割）下げればよいかは、実験等によりあらかじめ求めておけばよい。また、負荷情報Ｌｉを受けた場合に、加工プログラム制御部１１が、切込み量を下げることに加えて、加工中の送り軸の送り速度を低下しても良い。
尚、比較値Ｔｐは１よりも小さい正の値に設定されるが、加工負荷が高い加工ほど比較値Ｔｐをより小さい値に設定することが望ましい。これは、加工が終了するより前にモータ温度が許容温度Ｔｍａｘに到達しアラーム状態となって加工中にモータへの通電が遮断されてしまうこと、を防ぐためである。すなわち、加工負荷が高いほどモータ温度が許容温度Ｔｍａｘに到達しやすいので、切込み量を下げる制御をより低い温度（比較値Ｔｐ）から始めることで、モータ温度が許容温度Ｔｍａｘに到達する可能性を低下させるのである。よって、比較値Ｔｐは、加工負荷の高さに応じてオペレータが変更できるようにしておくことが望ましい。
また、第１の実施例、第２の実施例共に、負荷割合Ｔ／Ｔｍａｘ又はＴｗ／ＴｍａｘをＮＣ表示部１２に出力しＮＣ画面に表示すれば、モータ温度が許容温度Ｔｍａｘに対して、どの程度余裕があるかを、オペレータが把握することができる。
１ ＮＣ指令部、２ 位置制御部、３ 速度制御部、４ 電流制御部、５ インバータ回路、６ モータ、７ エンコーダ、８ 温度推定部、９ 温度比較部、１０ 記憶装置、１１ 加工プログラム制御部、１２ ＮＣ表示部。

Claims (2)

  1. 加工プログラムを実行して位置指令を出力するＮＣ指令部と、
    前記位置指令とモータの可動子位置を検出するエンコーダからの位置帰還とを入力とし、それら入力から速度指令を求めて出力する位置制御部と、
    前記速度指令と前記エンコーダからの速度帰還とを入力とし，それら入力から電流指令を求めて出力する速度制御部と、
    前記電流指令と電流帰還とを入力とし、それら入力からインバータ駆動指令を算出する電流指令部と、
    前記インバータ駆動指令に基づいてモータを制御するインバータ回路と、
    前記モータの温度を検出又は推定するモータ温度検出部と、
    前記モータ温度検出部が検出又は推定した前記モータの温度のあらかじめ定められたモータ許容温度に対する負荷割合を算出し、算出した負荷割合があらかじめ定められた比較値を超えた場合に、前記ＮＣ指令部に、前記加工プログラムのシーケンスの区切り、もしくは、前記加工プログラムの終了まで前記加工プログラムを実行させた後に、前記モータへの通電を遮断するように制御する制御部と、
    を有し、前記比較値は、前記加工プログラムの１サイクルの時間が長くなるほど低い値となるよう設定されていることを特徴とする数値制御装置。
  2. 加工プログラムを実行して位置指令を出力するＮＣ指令部と、
    前記位置指令とモータの可動子位置を検出するエンコーダからの位置帰還とを入力とし、それら入力から速度指令を求めて出力する位置制御部と、
    前記速度指令と前記エンコーダからの速度帰還とを入力とし，それら入力から電流指令を求めて出力する速度制御部と、
    前記電流指令と電流帰還とを入力とし、それら入力からインバータ駆動指令を算出する電流指令部と、
    前記インバータ駆動指令に基づいてモータを制御するインバータ回路と、
    前記モータの温度を検出又は推定するモータ温度検出部と、
    前記モータ温度検出部が検出又は推定した前記モータの温度のあらかじめ定められたモータ許容温度に対する負荷割合を算出し、算出した負荷割合があらかじめ定められた比較値を超えた場合に、前記加工プログラムで指令される切込み量を小さくするよう制御する制御部と、
    を有し、前記比較値は、加工負荷が高い加工ほど小さい値に設定されていることを特徴とする数値制御装置。
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