JP7053523B2

JP7053523B2 - 産業用機械の数値制御システム

Info

Publication number: JP7053523B2
Application number: JP2019047161A
Authority: JP
Inventors: 徹石井
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 2019-03-14
Filing date: 2019-03-14
Publication date: 2022-04-12
Anticipated expiration: 2039-03-14
Also published as: CN111694322A; US20200293026A1; US11531323B2; DE102020203218A1; JP2022087175A; JP2020149437A

Description

本発明は、産業用機械の数値制御システムに関する。

周知の通り、機械工作の分野では、ＣＮＣ（コンピュータ数値制御：Computerized Numerical Control）技術を適用し、工具の移動量や移動速度などをコンピュータで数値制御することにより、同一加工手順の繰り返し、複雑な形状の加工などを高度に自動化している。

一方、ＣＮＣには、送り軸として使用するサーボモータのトルクを制限する機能があり、この機能で加工プログラムのテスト運転や手動運転時にトルクを制限し、予期せぬ動作で機械が干渉した場合の被害を最小に抑えることができるようにしている。また、突き当て式レファレンス点設定などの機能によって、意図的に機械をストッパに押し当てる場合などにおいても、トルク制限によって突き当て時の衝撃を小さく抑えるようにしている。

例えば、特許文献１には、工作機械のＸ軸モータに対しトルク制限を設けることが記載されている。

特開２０１０－１７６３７５号公報

しかしながら、例えば、図８、図９に示すように、テーブル１００の送り軸のサーボモータのトルクを制限し出力できるトルクが小さくなると、加減速時に必要なトルクが不足する場合がある。このため、加速度が小さくなり、指令した速度に達するまでに必要な移動距離が長くなったり、減速距離が長くなり、指令位置で停止できずにオーバシュートし、テーブル１００の他の部材などへの干渉を招くおそれがある。

ここで、図３の左側上図はトルク制限無しのモータ（テーブル１００）の動きを速度と時間の関係で示した図、図３の左側下図はトルク制限ありでオーバシュートしたときのモータ（テーブル１００）の動きを速度と時間の関係で示した図である。図３左側下図の符号Ｓ１部分の面積がオーバシュートした距離、符号Ｓ２部分の面積がオーバシュートの分だけ戻った距離を表している。また、減速開始前までの符号Ｓ３部分の面積（移動距離）が図３の左側上図のトルク制限無しの減速開始前までの符号Ｓ４部分の面積（移動距離）と同じになる。

ちなみに、サーボモータを用いて位置制御を行うことから、指令位置を通り過ぎた場合には指令位置まで引き戻す制御を行うことになる。

また、ＣＮＣでサーボモータのトルクを制限する場合には、トルクの制限値の大小によって指令通りの加速、減速が行えないケースもある。すなわち、トルクの制限値に達し、指令通りに加速できなかったり、減速できなかったりするケースがある。このようなケースでは、指令位置と実際の位置のずれ（位置偏差）が大きくなって誤差過大のアラームが発生する。このため、トルク制限を行った場合は、テーブル１００の送り速度を遅くしたり、位置偏差の許容値を大きくするなどの対応をとって、誤差過大に起因したアラームの発生を防止せざるを得ないという不都合があった。

本開示の産業用機械の数値制御システムの一態様は、指令部と、前記指令部からの指令に応じて産業用機械のモータの駆動を制御するとともに、前記指令部からの終点位置の指令を受けて、又は前記指令部からの終点位置の指令を受けずに位置制御を行う制御部とを備える産業用機械の数値制御システムにおいて、前記制御部は、前記モータのトルク制限を行った場合に、減速時のみトルク制限を解除する減速時トルク制限解除部を備える構成とした。

また、本開示の産業用機械の数値制御システムの他の態様は、指令部と、前記指令部からの指令に応じて産業用機械のモータの駆動を制御するとともに、前記指令部からの終点位置の指令を受けて位置制御を行う制御部とを備える産業用機械の数値制御システムにおいて、前記制御部は、前記モータのトルク制限を行った場合に、トルク制限後に出力可能なトルクで加減速を行って位置制御機能を確保する加減速の時定数を求める加減速時定数算出部と、前記モータのトルク制限を行った場合に、前記モータを駆動する前に前記加減速時定数算定部で求めた前記加減速の時定数を自動的に設定する時定数設定部とを備える構成とした。

本開示の上記態様によれば、例えば、工作機械の送り軸で使用するサーボモータなどのモータのトルクをＣＮＣの指令部で制限した場合に、その停止時に発生するオーバシュートを無くし、機械の干渉を防ぐことが可能になる。

第１の態様の産業用機械の数値制御システムを示すブロック図である。第１の態様の産業用機械の数値制御システムを用いた制御方法を示すフロー図である。第１の態様の産業用機械の数値制御システムを用いてオーバシュートを防止する説明に用いた図である。第２の態様の産業用機械の数値制御システムを示すブロック図である。第２の態様の産業用機械の数値制御システムを用いた制御方法を示すフロー図である。第２の態様の産業用機械の数値制御システムを用いてオーバシュートを防止する説明に用いた図である。第２の態様の産業用機械の数値制御システムを用いて減速開始が早くなることによる衝撃低減効果を示す図である。オーバシュートによって干渉が発生する状況を示す図である。トルク制限によってオーバシュートが発生する説明に用いた図である。

以下、図１から図３を参照し、第１実施形態に係る産業用機械の数値制御システムについて説明する。

ここで、本実施形態では、産業用機械が工作機械であるものとして説明を行う。
但し、本発明に係る産業用機械は、ロボット、ＰＬＣ、搬送機、計測器、試験装置、プレス機、圧入器、印刷機、ダイカストマシン、射出成型機、食品機械、包装機、溶接機、洗浄機、塗装機、組立装置、実装機、木工機械、シーリング装置又は切断機など、他の産業用機械であっても勿論構わない。

本実施形態の工作機械の制御システムＡは、図１に示すように、指令部のＣＮＣ１と、ＣＮＣ１の指令に基づいて工作機械２の駆動部３を制御する制御部４とを備えている。

なお、本実施形態では、ＣＮＣ１が制御部４を兼ね備えて構成され、駆動部３は、例えば、テーブル１００の送り軸を駆動するサーボモータなどのモータとされている。制御部４をＣＮＣ１と別に備える場合には、例えば、制御部４としてサーボアンプなどが挙げられる。

一方、本実施形態の工作機械の制御システムＡの制御部４は、図１に示すように、モータ３のトルク制限を設定するためのモータトルク制限設定部５と、モータ３ひいてはテーブル１００の加減速度を求める加減速演算部６と、モータ３ひいてはテーブル１００の減速状態を検出する減速検出部７と、モータ３のトルク制限を行った場合に、減速時のみトルク制限を解除する減速時トルク制限解除部８とを備えている。

そして、本実施形態の工作機械の制御システムＡで工作機械２の駆動部３を制御する際には、図２に示すように、ＣＮＣ１からの指令に基づいてサイクルがスタートすると（Ｓｔｅｐ１）、ＮＣプログラムの解析（進行の確認）が行われ（Ｓｔｅｐ２）、プログラムが終了しているか否かが確認される（Ｓｔｅｐ３）。

プログラムが終了していない場合には、補間（Ｓｔｅｐ４）、加減速演算部６によるモータの加減速度の演算（Ｓｔｅｐ５）が行われる。

また、加減速演算部６の算出結果をもとに、減速検出部７がモータの減速が開始されたか否かを確認し（Ｓｔｅｐ６）、減速が検出されない場合には、モータトルク制限設定部５で設定したトルク制限を有効にしたままにし（Ｓｔｅｐ７）、モータ３の制御を行う（継続する：Ｓｔｅｐ８）。

減速検出部７がモータ３の減速が検出された場合には、減速時トルク制限解除部８がモータトルク制限設定部５で設定したトルク制限を解除する（Ｓｔｅｐ９）。そして、減速時には、トルク制限を解除した状態でモータ制御を行う（Ｓｔｅｐ８）。

本実施形態の工作機械の制御システムＡは、プログラムで終点位置を指令して位置制御（早送りや切削送り）を行う場合、または、終点位置を指令せずに位置制御（手動運手）を行う場合において、上記のようにモータ３の減速が検出されるとともに減速時トルク制限解除部８がモータトルク制限設定部５で設定したトルク制限を解除する。

これにより、本実施形態の工作機械の制御システムＡにおいては、図３の右下図に示すように、減速時のみトルク制限が解除されて、１００％のトルクを出力できるようになり、図３の右上図のトルク制限無しの場合と同じように、減速時に１００％のトルクが出力できる。よって、オーバシュートすることなく指令位置で停止させることが可能になる。

よって、本実施形態の工作機械の制御システムＡによれば、工作機械２の送り軸で使用するサーボモータなどのモータ３のトルクを、自動又は手動でＣＮＣ１の指令部で制限した場合に、その停止時に発生するオーバシュートを無くし、機械の干渉を確実に防ぐことが可能になる。

以上、産業用機械の数値制御システムの第１実施形態について説明したが、本発明は上記の一実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

次に、図４から図７を参照し、第２実施形態に係る産業用機械の数値制御システムについて説明する。

ここで、本実施形態においても、第１実施形態と同様、オーバシュートを無くし、機械の干渉を確実に防ぐためのものであり、産業用機械が工作機械であるものとして説明を行う。よって、本実施形態では、第１実施形態と同様の構成に対して同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。

本実施形態の工作機械の制御システムＡは、図４に示すように、第１実施形態と同様、指令部のＣＮＣ１と、ＣＮＣ１の指令に基づいて工作機械２の駆動部３を制御する制御部４とを備えている。

一方、本実施形態の工作機械の制御システムＡの制御部４は、図４に示すように、モータ３のトルク制限を設定するためのモータトルク制限設定部５と、モータ３の出力可能なトルク値を求める出力可能トルク算出部１０と、加減速時定数を求める加減速時定数算出部１１と、加減速時定数算出部１１で求めた加減速時定数を設定する時定数設定部１２と、モータ３ひいてはテーブル１００の加減速度を求める加減速演算部６とを備えている。

ここで、使用するサーボモータを選定する際には、下記の式（１）、式（２）によって最も必要になるトルク（加速トルク）Ｔ_ａ、最も必要なトルクＴ_ａになるときの速度（言い換えれば、加速トルクＴ_ａが減少し始めるモータの回転速度）Ｖ_ｒを求める。

Ｖ_ｍは早送り時のモータの回転速度、ｔ_ａは加速時間、Ｊ_Ｍはロータ慣性モーメント、Ｊ_Ｌは負荷慣性モーメント、k_ｓは位置ループゲイン、ηは機械効率、ｅは自然対数の底である。
そして、このうち、ｔ_ａの加速時間が時定数であり、トルク制限後に出力できるトルクＴａが決まれば、式（１）、式（２）を用いて時定数を求めることができる。

これを踏まえ、本実施形態の工作機械の制御システムＡで工作機械２の駆動部３を制御する際には、第１実施形態と同様、図５に示すように、ＣＮＣ１からの指令に基づいてサイクルがスタートすると（Ｓｔｅｐ１）、ＮＣプログラムの解析（進行の確認）が行われ（Ｓｔｅｐ２）、プログラムが終了しているか否かが確認される（Ｓｔｅｐ３）。

また、プログラムが終了していない場合には、補間（Ｓｔｅｐ４）、加減速演算部６によるモータの加減速度の演算（Ｓｔｅｐ５）が行われ、モータ３の制御を行う（継続する：Ｓｔｅｐ８）。

一方、補間（Ｓｔｅｐ４）を行った段階で、モータトルク制限設定部５でトルク制限が設定され、有効であるか否かを確認する（Ｓｔｅｐ１０）。

トルク制限が有効である場合には、出力可能トルク算出部１０が、設定されたトルク制限値からモータ３の出力可能なトルク（Ｔ_ａ）を算出する（Ｓｔｅｐ１１）。

また、加減速時定数算出部１１が、算出した出力可能なトルク（Ｔ_ａ）から最適な時定数（ｔ_ａ）を求める（Ｓｔｅｐ１２）。

そして、時定数設定部１２が、加減速時定数算出部１１で求めた時定数（ｔ_ａ）を設定し直して変更し（Ｓｔｅｐ１３）、加減速演算部６が、この時定数（ｔ_ａ）に基づいて加減速演算（Ｓｔｅｐ５）を行い、モータ３を制御する（Ｓｔｅｐ８）。

本実施形態の工作機械の制御システムＡは、プログラムで終点位置を指令して位置制御（早送りや切削送り）を行う場合において、トルク制限後に出力できるトルク内で加減速できるように時定数（ｔ_ａ）を大きくすることができる。

すなわち、本実施形態の工作機械の制御システムＡでは、図６の右下図に示すように、送り軸を移動させる前に時定数（ｔ_ａ）を大きく、最適に自動で設定するようにしたことで、時系列的により手前から減速を開始するようになり、制限トルク内でオーバシュートせずに減速、停止させることが可能になる。また、指令通りに加減速が行えるようになるため、位置偏差が大きくならずに済む。

よって、本実施形態の工作機械の制御システムＡによれば、工作機械２の送り軸で使用するサーボモータなどのモータ３のトルクを、自動でＣＮＣ１の指令部で制限した場合に、その停止時に発生するオーバシュートを無くし、機械の干渉を確実に防ぐことが可能になる。

また、本実施形態の工作機械の制御システムＡにおいては、制限トルク内で指令通りの加減速が行え、位置偏差が大きくならないため、送り速度を遅くしたり、位置偏差の許容値を大きくするなどの誤差過大アラームを発生させないようにする対応を不要にすることができる。

さらに、本実施形態の工作機械の制御システムＡにおいては、図７に示すように、自動運転で減速中に意図的に機械２をストッパなどに押し当てる場合、従来より早めに減速が開始されるため、押し当て時の速度を従来より遅くすることが可能になる。

以上、産業用機械の数値制御システムの第２実施形態について説明したが、本発明は上記の一実施形態に限定されるものではなく、第１実施形態の変更例を含め、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

１ＣＮＣ（指令部）
２工作機械
３駆動部（モータ）
４制御部
５モータトルク制限設定部
６加減速演算部
７減速検出部
８減速時トルク制限解除部
１０出力可能トルク算出部
１１加減速時定数算出部
１２時定数設定部
Ａ産業用機械の数値制御システム（工作機械の制御システム）

Claims

指令部と、前記指令部からの指令に応じて産業用機械のモータの駆動を制御するとともに、前記指令部からの終点位置の指令を受けて、又は前記指令部からの終点位置の指令を受けずに位置制御を行う制御部と、を備える産業用機械の数値制御システムにおいて、
前記制御部は、
前記モータの加減速度を求める加減速演算部と、
前記加減速演算部の算出結果をもとにモータの減速について確認した結果に基づいて、前記モータのトルク制限を行っている場合において、減速時のみトルク制限を解除する減速時トルク制限解除部と、を備える、産業用機械の数値制御システム。