JP7017537B2 - 工作機械、加工システムおよび管理システム - Google Patents

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Description

本発明は、工作機械、加工システムおよび管理システムに関するものである。
従来、複数の工具を保持可能なタレットを備え、主軸とタレットとの間で工具を自動的に交換する工作機械が知られている（例えば、特許文献１～３参照。）。
特開２０１５－０５４３７０号公報 特開２００９－３４７９４号公報 特開２０１５－０５４３５５号公報
タレットに保持される工具の重量は様々であるが、個々の工具の重量に関わらず、工作機械の制御パラメータは設定されている。例えば、タレットと主軸との間での工具の交換時の主軸の移動速度は、主軸に保持されている工具の重量に関わらず同一である。
本開示の一態様は、複数の工具を保持可能であるタレットと、該タレットに保持された前記複数の工具を択一的に保持する主軸と、制御パラメータに従って前記タレットおよび前記主軸の動作を制御する制御部と、前記タレットに１つの工具が取り付けられる度に、当該取り付けられた１つの工具の重量を取得する重量取得部と、該重量取得部によって取得された重量または該重量に関連する指標を前記取り付けられた１つの工具と対応付けて前記制御部に設定する重量設定部と、前記タレットを回転させる駆動部とを備え、前記制御部は、前記タレットに１つの工具が取り付けられる度に前記タレットを回転させ、前記重量取得部は、前記タレットが回転したときの前記駆動部の負荷に基づき、前記取り付けられた１つの工具の重量を推定し、前記制御部が、前記重量設定部によって設定された個々の前記工具の重量に基づいて前記制御パラメータを設定する、工作機械である。
一実施形態に係る工作機械の正面図である。 図１の工作機械の側面図である。 図１の工作機械のタレットの内部構成図である。 図１の工作機械の制御装置の機能ブロック図である。 タレットの回転モータの負荷の基準データの一例である。 １．０ｋｇの工具の保持時のタレットの回転モータの負荷データの一例である。 １．０ｋｇの工具の保持時および３．７ｋｇの工具の保持時のタレットの回転モータの負荷データの一例である。 図７のグラフの部分拡大図である。 他の実施形態に係る工作機械の外部機器との接続を示す図である。 他の実施形態に係る工作機械の外部機器との接続を示す図である。 他の実施形態に係る管理システムのブロック図である。 他の実施形態に係る管理システムのブロック図である。
以下に、一実施形態に係る工作機械１について図面を参照して説明する。
工作機械１は、図１および図２に示されるように、複数の工具２を保持するタレット３と、タレット３を回転させる回転モータ（駆動部）４と、タレット３に保持された複数の工具２を択一的に保持する主軸５と、タレット３および主軸５の動作を制御する制御装置６と、を備える。
タレット３は、ベッド７から鉛直方向上方に延びるコラム８の上端部に支持されている。ベッド７上には、ワークＷが固定されるテーブル９が載置されている。主軸５は、該主軸５の長手軸回りに回転可能に主軸取付台１０に支持され、主軸取付台１０は、ボールネジおよびリニアガイド等によってコラム８に鉛直方向に移動可能に支持されている。ベッド７には、テーブル９を水平方向に移動させるためのＸ軸送りモータ（図示略）およびＹ軸送りモータ（図示略）が設けられている。コラム８には、主軸取付台１０を主軸５と共に鉛直方向に移動させるためのＺ軸送りモータ１９が設けられている。
工作機械１は、主軸モータ（図示略）によって主軸５を長手軸回りに回転させながら、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸送りモータによってテーブル９および主軸５を相対移動させる。これにより、ワークＷと回転する工具２とが相対移動し、回転する工具２によってワークＷが加工される。
また、工作機械１は、タレット３と主軸５との間で工具２を自動で交換する機能を有する。
図３に示されるように、タレット３は、円形の回転板３ｂの周縁部に固定された複数のツールホルダ３ａを備える。複数のツールホルダ３ａは、回転板３ｂの周方向に配列し、それぞれ１つの工具２を保持可能である。各ツールホルダ３ａには、識別情報が付されている。回転モータ４は、例えばサーボモータである。回転モータ４によってタレット３が回転板３ｂの中心軸線回りに回転することで、複数のツールホルダ３ａが所定の工具交換位置に択一的に位置決めされる。工作機械１は、工具交換位置のツールホルダ３ａと主軸５との間で工具２を交換することによって、主軸５に保持される工具２を取り換える。
また、回転モータ４によってタレット３が回転することで、複数のツールホルダ３ａが所定の工具着脱位置に択一的に位置決めされる。工具着脱位置は、ツールホルダ３ａへの工具２の取り付けおよびツールホルダ３ａからの工具２の取り外しが作業者またはロボットによって行われる位置である。
制御装置６は、図４に示されるように、タレット３および主軸５の動作を制御する制御部１１と、タレット３に保持された個々の工具２の重量を取得する重量取得部１２と、個々の工具２の重量を制御部１１に設定する重量設定部１３と、を備える。制御部１１、重量取得部１２および重量設定部１３は、それぞれ、プロセッサと、不揮発性ストレージ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を有する記憶部と、を備え、記憶部に格納されたプログラムに従って後述する処理をそれぞれ実行する。
制御部１１は、主軸モータ、送りモータおよび回転モータ４に制御指令を送信することによって、タレット３、主軸５およびテーブル９の動作を制御パラメータに従って制御し、工具２によるワークＷの加工および主軸５とタレット３との間の工具２の交換を実行させる。タレット３および主軸５の少なくとも一方の制御パラメータは、後述するように、重量設定部１３によって設定された個々の工具２の重量に基づいて設定される。
また、制御部１１、重量取得部１２および重量設定部１３は、１つの工具２がいずれかのツールホルダ３ａに取り付けられる度に取り付けられた工具２の重量の取得および設定を実行する。
具体的には、制御部１１は、回転モータ４に制御指令を送信することによって、タレット３を所定の動作パターンで回転させる。所定の動作パターンにおいて、タレット３は、回転開始時に所定の加速度で所定の回転速度まで加速し、回転終了時に所定の回転速度から所定の加速度で減速する。
重量取得部１２は、タレット３が所定の動作パターンで回転している間の回転モータ４の負荷に基づき、ツールホルダ３ａに取り付けられた１つの工具２の重量を推定する。重量の推定方法については、後述する。
重量設定部１３は、重量取得部１２によって推定された工具２の重量を、ツールホルダ３ａの識別情報と対応付けて制御部１１の記憶部に記憶させることによって、工具２の重量を制御部１１に設定する。したがって、制御部１１には、タレット３に保持される全ての工具２の重量の情報が蓄積される。工具２の重量は、当該工具２の識別情報と対応付けて制御部１１に設定されてもよい。工具２の識別情報は、例えば、作業者によって制御装置６に入力されるか、または、工具２に付された記録媒体から自動的に取得される。
重量の取得および設定は、例えば、ツールホルダ３ａへの工具２の取り付け完了後に作業者が制御装置６に入力する指示に応答して実行される。
重量設定部１３は、重量に代えて、重量と関連する指標を制御部１１に設定してもよい。例えば、タレット３に搭載可能な工具２の最大許容重量が４ｋｇである場合、指標は、重量の階級を示す数値「１」、「２」、「３」、「４」である。「１」は１ｋｇ以下の範囲、「２」は１ｋｇを超え２ｋｇ以下の範囲、「３」は、２ｋｇを超え３ｋｇ以下の範囲、「４」は、３ｋｇを超え４ｋｇ以下の範囲をそれぞれ示す。
次に、工具２の重量の設定に係る工作機械１の動作について、全てのツールホルダ３ａが空であるタレット３に工具２を１つずつ取り付ける場合を例に説明する。
工具着脱位置のツールホルダ３ａに、作業者によって１つ目の工具２が取り付けられる。１つ目の工具２の取り付け後、取り付けられた測定対象の工具２の重量の取得および設定が実行される。
具体的には、回転モータ４が、タレット３を所定の動作パターンで回転させる。重量取得部１２は、タレット３の回転中の回転モータ４の負荷の推移を示す負荷データを記録する。例えば、重量取得部１２は、回転モータ４に接続された電流計から回転モータ４の電流値を受け取り、電流値から算出される負荷トルクの時系列データを負荷データとして記録する。
次に、重量取得部１２は、負荷データを基準データと比較することによって、測定対象の工具２の重量を推定する。基準データは、既知の基準重量を有する工具２を１つのみ保持するタレット３を所定の動作パターンで回転させたときの負荷データである。基準データは、例えば、重量取得部１２の記憶部に予め記憶されている。図５は、基準重量が１ｋｇである場合の基準データを示している。複数の基準重量に関する複数の基準データが記憶されていてもよい。
図６は、１ｋｇの１つの工具２がタレット３に保持されている状態での負荷データを示している。図６に示されるように、測定対象の工具２の重量が基準重量と等しい場合には、基準データと等しいまたは略等しい負荷データが得られる。
また、図７に示されるように、タレット３に保持される工具２の重量が大きい程、回転モータ４の負荷は大きくなる。図７には、１．０ｋｇの工具２の負荷データと、３．７ｋｇの工具２の負荷データが示されている。図８は、図７の負荷データの一部分を拡大したものである。したがって、負荷データと基準データとの差分は、測定対象の工具２の重量と基準重量との差分に相当する。重量取得部１２は、負荷データと基準データとの差分に基づき、測定対象の工具２の重量を推定する。
重量取得部１２によって測定対象の工具２の重量が推定された後、重量設定部１３は、推定された重量または指標を、測定対象の工具２を保持しているツールホルダ３ａの識別情報と対応付けて制御部１１に設定する。
以上により、１つ目の工具２の重量の設定が完了する。
次に、タレット３の回転によって他の空のツールホルダ３ａが工具着脱位置に位置決めされ、工具着脱位置のツールホルダ３ａに、作業者によって２つ目の工具２が取り付けられる。２つ目の工具２の取り付け後、１つ目の工具２と同様に、２つ目の工具２の重量の取得および設定が実行される。重量取得部１２によって２回目に記録される負荷データは、１つ目および２つ目の工具２の重量に基づく負荷データである。重量取得部１２は、１回目の負荷データと２回目の負荷データとの差分に基づき、２つ目の工具２の重量を推定する。重量取得部１２は、基準データと２回目の負荷データとの差分と、既に推定された１つ目の工具２の重量と、に基づき、２つ目の工具２の重量を推定してもよい。
次に、タレット３の回転によって他の空のツールホルダ３ａが工具着脱位置に位置決めされ、工具着脱位置のツールホルダ３ａに、作業者によって３つ目の工具２が取り付けられる。３つ目の工具２の取り付け後、１つ目の工具２と同様に、３つ目の工具２の重量の取得および設定が実行される。重量取得部１２は、２回目の負荷データと３回目の負荷データとの差分に基づき、３つ目の工具２の重量を推定する。
以下、空のツールホルダ３ａへの工具２の取り付け、工具２の重量の取得および設定が繰り返される。
タレット３に保持されている全ての工具２の重量の設定後、制御部１１は、重量設定部１３によって設定された個々の工具２の重量に基づいて、タレット３および主軸５の少なくとも一方の制御パラメータを設定し、ワークＷの加工および工具２の交換を実行する。
制御パラメータの一例は、工具交換時のＺ軸送りモータ１９による主軸５の上下方向の移動速度である。タレット３と主軸５との間の工具２の交換時、主軸取付台１０および主軸５は、Ｚ軸送りモータ１９によってタレット３に対して上下方向に移動させられる。制御部１１は、主軸５に保持されている工具２が軽い程、主軸５の移動速度が速くなるように、主軸５および主軸取付台１０の移動速度を設定する。これにより、工具交換の所要時間を短縮することができる。
制御パラメータの他の例は、回転モータ４によるタレット３の回転速度である。工具２が重い程、また、タレット３の回転が速い程、工具２のイナーシャが大きくなる。制御部１１は、タレット３に保持されている工具２の重量の内、最大重量が大きい程、回転速度が小さくなるように、タレット３の回転速度を設定する。これにより、重い工具２がイナーシャによってツールホルダ３ａから外れてタレット３から落下したり損傷したりしてしまうことを防止することができる。
このように、工作機械１は、１つの工具２がタレット３に取り付けられる度に、取り付けられた工具２の重量を自動的に取得および設定し、個々の工具２の重量に応じて制御パラメータを設定する。したがって、タレット３に様々な重量の工具２が保持されている場合においても、個々の工具２の重量に応じた適切な制御パラメータを設定することができる。また、重量および制御パラメータの設定に作業者の判断を必要としないので、作業に不慣れな作業者がタレット３に工具２を取り付ける場合でも、工具２の重量に応じた適切な制御パラメータを設定し、工具２の落下のような不具合の発生を防止することができる。
なお、上記実施形態において、全てのツールホルダ３ａが空であるタレット３に工具２を取り付ける場合について説明したが、タレット３に保持されている複数の工具２のいずれかが交換された後に、新たにタレット３に取り付けられた工具２の重量を取得および設定してもよい。
工作機械１は、重量取得部１２によって取得された工具２の重量が所定の許容値を超えた場合に、その旨を作業者に報知する報知部１４をさらに備えていてもよい。報知部１４は、例えば、アラーム表示を表示するディスプレイ、または、アラーム音を発する警報器である。
この構成によれば、作業者は、ツールホルダ３ａに取り付けられた工具２の重量が許容値を超えていることを、報知部１４の出力に基づいて認識することできる。これにより、許容値を超える重量の工具２が工作機械１で使用されることを防止することができる。許容値を超える重量の工具２がタレット３に保持されている状態で工作機械１が稼働することを防ぐために、制御部１１は、許容値を超える重量の工具２がツールホルダ３ａに取り付けられている場合には、タレット３、主軸５およびテーブル９等の動作を禁止してもよい。
上記実施形態において、制御装置６は、回転モータ４の負荷と、負荷から重量取得部１２によって推定された重量と、の関係を学習する学習部を備えていてもよい。
例えば、負荷データと、負荷データから算出された工具２の重量とが、制御部１１の記憶部に蓄積される。学習部としての制御部１１は、記憶部に格納された学習プログラムに基づき、蓄積された負荷データと重量との関係を学習する。重量取得部１２は、学習部の学習結果を用いて工具２の重量を推定する。これにより、重量取得部１２による重量の推定精度を向上することができる。
上記実施形態において、重量取得部１２が、回転モータ４の負荷に基づいて工具２の重量を推定することとしたが、これに代えて、重量取得部１２は、図９に示されるように、ツールホルダ３ａに取り付けられた工具２の重量または重量に関する情報を、外部機器１６から受信してもよい。
外部機器１６の一例は、工具２の重量を測定する重量計である。例えば、重量計は、工作機械１の外部に配置され、制御装置６と通信可能に接続されている。作業者は、重量計によって工具２の重量を測定し、その後に、工具２をツールホルダ３ａに取り付ける。重量計による工具２の重量の測定は、タレット３に工具２を着脱するロボットによって行われてもよい。工具２の重量は、重量計から重量取得部１２に送信される。
外部機器１６の他の例は、タレット３に工具２を着脱するロボットである。例えば、ロボットは、多関節のロボットアームと、ロボットアームの先端に接続されたハンドと、ハンドに作用する荷重を検出する力覚センサと、を備える。ロボットは、ハンドに工具２を把持した状態で、ハンドに作用する荷重、すなわち工具２の重量を力覚センサによって検出し、検出された工具２の重量を重量取得部１２に送信する。本開示の他の実施形態は、工作機械１と、このようなロボットとを備える加工システムであってもよい。
外部機器１６の他の例は、制御装置６と接続された他の工作機械の制御装置である。重量取得部１２は、他の工作機械の制御装置に記憶されている工具の重量を、工具の識別情報と共に他の工作機械の制御装置から受信する。制御装置６が、他の工作機械の制御装置に工具２の重量を識別情報と共に送信してもよい。このように、工具２の重量の情報を複数の工作機械間で共有することによって、各工作機械の制御装置は、様々な工具２の重量の情報を効率的に収集することができる。
上記実施形態において、制御部１１への工具２の重量の設定が、工作機械１の制御装置６内で実行されることとしたが、これに代えて、制御装置６とは異なる制御装置が、制御部１１に工具２の重量を設定してもよい。図１０から図１２は、他の実施形態を示している。
図１０に示される他の実施形態において、工作機械１は、制御装置６とは異なる他の制御装置１７を経由して外部機器１６と接続されている。他の制御装置１７は、例えば、工作機械１の内部または外部に配置されたマイクロコンピュータである。重量取得部１２および重量設定部１３は、他の制御装置１７に設けられる。他の制御装置１７は、外部機器１６から工具２の重量の情報を取得し、制御装置６の制御部１１に工具２の重量を設定する。このように、外部機器１６と工作機械１との間を他の制御装置１７によって中継することで、配線を簡略化することができる。
他の制御装置１７は、工作機械１の電源とは異なる電源１８と接続されていてもよい。この構成によれば、工作機械１の保守作業性を向上することができる。例えば、工作機械１の電源が切れているときであっても、作業者は、タレット３に保持されている工具２の重量を他の制御装置１７で確認することができる。
図１１は、他の実施形態に係る管理システム１００を示している。管理システム１００は、複数の工作機械１Ａ，１Ｂ，１Ｃを備える。一の工作機械１Ａの制御装置６Ａは、他の工作機械１Ｂ，１Ｃの制御装置６Ｂ，６Ｃと接続され、他の工作機械１Ｂ，１Ｃを監視する。制御装置６Ａは、重量取得部１２および重量設定部１３を備え、制御装置６Ａ，６Ｂ，６Ｃの各々の制御部１１に工具２の重量を設定する。これにより、重量取得部１２および重量設定部１３を備えない工作機械１Ｂ，１Ｃにおいても、タレット３に保持された個々の工具２の重量に応じた制御パラメータを設定することができる。
図１２は、他の実施形態に係る管理システム２００を示している。管理システム２００は、複数の工作機械１Ａ，１Ｂ，１Ｃと、上位制御システム（制御装置）２０と、を備える。管理システム２００において、制御装置６Ａ，６Ｂ，６Ｃおよび外部機器１６は、エッジ装置であり、上位制御システム２０は、複数の工作機械１Ａ，１Ｂ，１Ｃの制御装置６Ａ，６Ｂ，６Ｃおよび外部機器１６と接続される。上位制御システム２０は、重量取得部１２および重量設定部１３を備え、制御装置６Ａ，６Ｂ，６Ｃの各々の制御部１１に工具２の重量を設定する。これにより、１台の上位制御システム２０によって、複数の工作機械１Ａ，１Ｂ，１Ｃの制御パラメータをタレット３に保持された個々の工具２の重量に応じて設定することができる。
上位制御システム２０は、例えば、制御装置６Ａ，６Ｂ，６Ｃと有線で接続されたコンピュータ、または、制御装置６Ａ，６Ｂ，６Ｃと同じ敷地内に配置されたコンピュータ等である。上位制御システム２０は、フォグコンピュータと称される時もある。上位制御システム２０は、生産管理システム、出荷管理システム、ロボット用管理システム、部門管理システム等であり得る。上位制御システム２０は、プロセッサ等を有する制御部と、表示装置と、不揮発性ストレージ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を有する記憶部と、キーボード、タッチパネル、操作盤等である入力装置等を備えている。
図１１および図１２の管理システム１００，２００において、複数の工作機械１Ａ，１Ｂ，１Ｃにおける回転モータ４の負荷および工具２の推定重量の情報が共通の制御装置６Ａまたは２０に集約される。この構成は、制御装置６Ａ，２０が前述した制御装置６の学習部と同様の学習機能を有する場合に、学習効率を向上することができる点で有利である。
図１１および図１２の管理システム１００，２００において、複数の制御装置６Ａ，６Ｂ，６Ｃの各々が学習機能を有していてもよい。この場合、例えば、上位制御システム２０は、集約した回転モータ４の負荷および工具２の推定重量の情報を、各制御装置６Ａ，６Ｂ，６Ｃに学習用データとして送信してもよい。
複数の上位制御システム２０が、他の上位制御システムに接続されていてもよい。他の上位制御システムは、例えば、複数の上位制御システム２０と有線または無線の通信ネットワークによって接続されたクラウドサーバである。この場合、他の上位制御システムが、エッジ装置である工作機械１Ａ，１Ｂ，１Ｃの制御部１１に工具２の重量を設定してもよい。また、他の上位制御システムが、学習機能を有していてもよい。
１ 工作機械
２ 工具
３ タレット
３ａ ツールホルダ
４ 回転モータ（駆動部）
５ 主軸
６ 制御装置
１１ 制御部（学習部）
１２ 重量取得部
１３ 重量設定部
１４ 報知部
１６ 外部機器、重量計、ロボット、制御装置
１７ 制御装置、マイクロコンピュータ
２０ 上位制御システム（制御装置）

Claims (8)

  1. 複数の工具を保持可能であるタレットと、
    該タレットに保持された前記複数の工具を択一的に保持する主軸と、
    制御パラメータに従って前記タレットおよび前記主軸の動作を制御する制御部と、
    前記タレットに１つの工具が取り付けられる度に、当該取り付けられた１つの工具の重量を取得する重量取得部と、
    該重量取得部によって取得された重量または該重量に関連する指標を前記取り付けられた１つの工具と対応付けて前記制御部に設定する重量設定部と、
    前記タレットを回転させる駆動部とを備え、
    前記制御部は、前記タレットに１つの工具が取り付けられる度に前記タレットを回転させ、
    前記重量取得部は、前記タレットが回転したときの前記駆動部の負荷に基づき、前記取り付けられた１つの工具の重量を推定し、
    前記制御部が、前記重量設定部によって設定された個々の前記工具の重量に基づいて前記制御パラメータを設定する、工作機械。
  2. 前記制御部が、前記制御パラメータとして、前記タレットの回転速度および前記主軸の移動速度のうち少なくとも一方を設定する、請求項１に記載の工作機械。
  3. 前記重量取得部によって取得された前記重量が所定の許容値を超えた場合に、その旨を作業者に報知する報知部を備える請求項１または請求項２に記載の工作機械。
  4. 前記駆動部の負荷と該負荷から前記重量取得部によって推定された前記重量との関係を学習する学習部を備え、
    前記重量取得部が、前記学習部の学習結果を用いて前記重量を推定する、請求項１から請求項３のいずれかに記載の工作機械。
  5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載の工作機械と、
    該工作機械の前記タレットに工具を着脱するロボットと、を備える加工システム。
  6. 複数の工具を保持可能であるタレットと、該タレットに保持された前記複数の工具を択一的に保持する主軸と、制御パラメータに従って前記タレットおよび前記主軸の動作を制御する制御部と、前記タレットを回転させる駆動部とを備える工作機械と、
    前記制御部と接続された制御装置と、を備え、
    該制御装置が、
    前記タレットに１つの工具が取り付けられる度に、当該取り付けられた１つの工具の重量を取得する重量取得部と、
    該重量取得部によって取得された重量または該重量に関連する指標を前記取り付けられた１つの工具と対応付けて前記工作機械の制御部に設定する重量設定部と、を備え、
    前記工作機械の前記制御部は、前記タレットに１つの工具が取り付けられる度に前記タレットを回転させ、
    前記重量取得部は、前記タレットが回転したときの前記駆動部の負荷に基づき、前記取り付けられた１つの工具の重量を推定し、
    前記工作機械の前記制御部が、前記重量設定部によって設定された個々の前記工具の重量に基づいて前記制御パラメータを設定する、管理システム。
  7. 複数の工作機械を備え、
    前記制御装置が、前記複数の工作機械のいずれかの制御装置である、請求項６に記載の管理システム。
  8. 複数の工作機械と、該複数の工作機械と接続された上位制御システムと、を備え、
    前記制御装置が、前記上位制御システムであり、前記複数の工作機械の各々の制御部に前記工具の重量を設定する、請求項６に記載の管理システム。
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