JP7276193B2 - 数値制御装置と数値制御装置の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、数値制御装置と数値制御装置の制御方法に関する。

特許文献１の工作機械は、主軸ヘッド、主軸モータ、継手、装着穴、工具ホルダ、ホルダ挟持部を備える。主軸ヘッドは、内部に主軸を回転可能に支持する。主軸モータは主軸ヘッドに設け、主軸を回転する。継手は、主軸モータの出力軸と主軸とを連結する。主軸は、装着穴と装着穴の周囲の所定位置にキーを備える。工具ホルダは、装着穴のテーパ部に装着した状態でキーに対して係合可能なキー溝を設ける。工具ホルダは、装着穴のテーパ部に装着する。ホルダ挟持部は、装着穴の上方に設け、工具ホルダを装着穴のテーパ部にクランプする。主軸モータは、工具を保持した工具ホルダが装着穴に装着し、且つクランプした状態で、主軸を回転駆動する。

特開２０１８－２０５８９１号公報

上記工作機械では、許容するイナーシャを超える工具を取り付けることがある。該時、工作機械は主軸加減速を行うと、キーとキー溝との間に間隙があるので、装着穴のテーパ部に対するクランプ力により発生する摩擦力よりも慣性力が大きくなる。該時、工作機械は、キーとキー溝が衝突する衝撃力が発生し、該衝撃力により主軸モータの出力軸と主軸との接続位置がずれる可能性があった。

本発明の目的は、主軸モータの出力軸と主軸との接続位置がずれる可能性を低減できる数値制御装置と数値制御装置の制御方法を提供することである。

請求項１の数値制御装置は、主軸と、前記主軸を駆動する主軸モータと、前記主軸モータの出力軸と前記主軸を連結する連結部と、前記主軸に設け、工具を保持する工具ホルダを着脱可能に装着する装着穴と、前記装着穴の周囲の前記主軸に設け、前記工具ホルダに設けた係合部が係合可能な被係合部と、前記主軸の内部に設け、前記装着穴に装着した前記工具ホルダをクランプするクランプ機構とを備えた工作機械の動作を制御する数値制御装置において、前記クランプ機構が前記工具ホルダをクランプした状態で、前記主軸モータが前記主軸を駆動した時、トルク指令値に基づき前記主軸モータへ供給する電流を監視する監視部が検出した電流フィードバック値に基づき、前記主軸モータに発生した出力トルクを演算するトルク演算部と、前記クランプ機構が前記工具ホルダをクランプした状態で、前記主軸モータが前記主軸を駆動した時、前記主軸モータに設けたエンコーダからの速度フィードバック値が示す前記主軸の回転速度に基づき、前記主軸モータの加速度を演算する加速度演算部と、前記トルク演算部が演算した前記出力トルクと、前記加速度演算部が演算した前記加速度に基づき、前記工具のイナーシャの推定値である推定工具イナーシャを演算する推定工具イナーシャ演算部と、前記推定工具イナーシャ演算部が演算した前記推定工具イナーシャが閾値を超えたか否かを判断する判断部と、前記判断部が前記推定工具イナーシャが前記閾値を超えたと判断した場合、エラーを報知する報知部とを備えたことを特徴とする。数値制御装置は、演算した推定工具イナーシャが閾値を超えた場合、エラーを報知する。従って、ユーザは、許容範囲を超えた工具が装着されたことを認識でき、主軸モータの出力軸と主軸との接続位置のずれに対して対策を行うことが可能となる。故に、数値制御装置は、主軸モータの出力軸と主軸との接続位置がずれる可能性を低減できる。

請求項２の数値制御装置は、前記加速度演算部が演算した前記加速度と主軸イナーシャに基づき、前記主軸に発生した推定慣性トルクを演算する推定慣性トルク演算部と前記エンコーダからの前記速度フィードバック値が示す前記主軸の前記回転速度に基づき、前記主軸に発生した推定粘性トルクを演算する推定粘性トルク演算部と、前記推定慣性トルク演算部により演算した前記推定慣性トルクと、前記推定粘性トルク演算部により演算した前記主軸の前記推定粘性トルクに基づき、前記主軸に発生したトルクの推定値である推定加減速トルクを演算する推定加減速トルク演算部とを備え、前記トルク演算部は、前記電流フィードバック値に所定の補正値を乗ずることで、前記主軸モータが出力した前記出力トルクを演算し、前記推定工具イナーシャ演算部は、前記主軸モータの前記出力トルクから前記主軸の前記推定加減速トルクを減じた差分値を、前記主軸モータの前記加速度で除して、前記推定工具イナーシャを演算してもよい。数値制御装置は、演算した出力トルクから演算した推定加減速トルクを減じた差分値を、演算した加速度で除することにより、推定工具イナーシャを演算できる。

請求項３の数値制御装置は、前記判断部が前記推定工具イナーシャ演算部により演算した前記推定工具イナーシャが前記閾値を超えたと判断した場合、前記主軸の回転を停止する停止部を備えてもよい。故に、数値制御装置は、主軸モータの出力軸と主軸との接続位置がずれる可能性を低減できる。

請求項４の数値制御装置の前記停止部は、所定の時定数に基づき、前記主軸の回転を徐々に減速して停止してもよい。故に、数値制御装置は、主軸への負荷を低減しつつ、主軸の回転を停止できる。

請求項５の数値制御装置の前記推定工具イナーシャ演算部は、所定周期で前記推定工具イナーシャを演算し、前記判断部は、前記主軸の回転数が指令値に対して所定の割合の回転数に到達するまで前記推定工具イナーシャが前記閾値を超えたか否かを判断してもよい。数値制御装置は、所定の割合の回転数に到達後では、推定工具イナーシャの演算誤差が大きくなる。故に、数値制御装置は、推定工具イナーシャの演算精度が高い状態で、推定工具イナーシャが閾値を超えたか否かを判断できる。

請求項６の数値制御装置の前記推定工具イナーシャ演算部は、所定周期で前記推定工具イナーシャを演算し、前記判断部は、前記主軸の回転が開始してから所定の時間が経過するまで、前記推定工具イナーシャが前記閾値を超えたか否かを判断してもよい。数値制御装置は、主軸の回転が開始してから所定の時間を経過後では、推定工具イナーシャの演算誤差が大きくなる。故に、数値制御装置は、推定工具イナーシャの演算精度が高い状態で、推定工具イナーシャが閾値を超えたか否かを判断できる。

請求項７の数値制御装置の制御方法は、主軸と、前記主軸を駆動する主軸モータと、前記主軸モータの出力軸と前記主軸を連結する連結部と、前記主軸に設け、工具を保持する工具ホルダを着脱可能に装着する装着穴と、前記装着穴の周囲の前記主軸に設け、前記工具ホルダに設けた係合部が係合可能な被係合部と、前記主軸の内部に設け、前記装着穴に装着した前記工具ホルダをクランプするクランプ機構とを備えた工作機械の動作を制御する数値制御装置の制御方法において、前記クランプ機構が前記工具ホルダをクランプした状態で、前記主軸モータが前記主軸を駆動した時、トルク指令値に基づき前記主軸モータへ供給する電流を監視する監視部が検出した電流フィードバック値に基づき、前記主軸モータに発生した出力トルクを演算するトルク演算ステップと、前記クランプ機構が前記工具ホルダをクランプした状態で、前記主軸モータが前記主軸を駆動した時、前記主軸モータに設けたエンコーダからの速度フィードバック値が示す前記主軸の回転速度に基づき、前記主軸モータの加速度を演算する加速度演算ステップと、前記トルク演算ステップが演算した前記出力トルクと、前記加速度演算ステップが演算した前記加速度に基づき、前記工具のイナーシャの推定値である推定工具イナーシャを演算する推定工具イナーシャ演算ステップと、前記推定工具イナーシャ演算ステップが演算した前記推定工具イナーシャが閾値を超えたか否かを判断する判断ステップと、前記判断ステップが前記推定工具イナーシャが前記閾値を超えたと判断した場合、エラーを報知する報知ステップとを備えたことを特徴とする。数値制御装置は上記ステップを実行することにより、請求項１に記載の数値制御装置と同じ効果を得ることができる。

工作機械１の斜視図。 主軸ヘッド７周囲の一部破断図。 工具４及び工具ホルダ１７の拡大図。 数値制御装置３０と工作機械１の電気的構成を示すブロック図。 工具イナーシャ監視処理のフローチャートを示す図。 外乱オブザーバ３９による推定工具イナーシャＪｍの演算処理を示す図。 （ａ）は適切な工具４Ａを回転した時の回転速度Ｒｖを示す図であり、（ｂ）は推定工具イナーシャＪｍと閾値Ｔｈとの関係を示す図。 （ａ）は不適切な工具４Ｂを回転した時の回転速度Ｒｖを示す図であり、（ｂ）は推定工具イナーシャＪｍと閾値Ｔｈとの関係を示す図。 （ａ）は適切な工具４Ａを示す図であり、（ｂ）は不適切な工具４Ｂを示す図。

本発明の実施形態を説明する。以下説明は、図中に矢印で示す左右、前後、上下を使用する。工作機械１の左右方向、前後方向、上下方向は夫々工作機械１のＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向である。図１に示す工作機械１は主軸９に装着した工具４を回転し、工作台１３上面に保持した被削材３に切削加工を施す。

図１、図２を参照し工作機械１の構造を説明する。工作機械１は、基台２、コラム５、主軸ヘッド７、主軸９、工作台装置１０、工具交換装置２０、制御箱６、操作パネル１５（図４参照）等を備える。基台２は金属製の略直方体状である。コラム５は基台２上部後方に固定する。主軸ヘッド７はコラム５前面に沿ってＺ軸方向に移動可能に設ける。主軸ヘッド７は内部に主軸９を回転可能に支持する。主軸モータ５１は主軸ヘッド７に設け、主軸９を回転駆動する。主軸ヘッド７はコラム５前面に設けたＺ軸移動機構（図示略）をＺ軸モータ５２（図４参照）が駆動しＺ軸方向に移動する。

工作台装置１０は工作台１３を備える。工作台装置１０は工作台１３をＸ軸方向とＹ軸方向に移動する。

工具交換装置２０は主軸ヘッド７の前側に設け、円盤型の工具マガジン２１を備える。工具マガジン２１は外周に複数の工具（図１では省略）を放射状に保持し、工具交換指令が指示する工具４を工具交換位置に位置決めする。工具交換指令はＮＣプログラムで指令する。工具交換位置は工具マガジン２１の最下部位置である。工具交換装置２０は主軸９に装着する工具４と工具交換位置にある工具とを入れ替え交換する。

制御箱６は数値制御装置３０(図４参照）を格納する。数値制御装置３０は、工作機械１に設けた主軸モータ５１、Ｚ軸モータ５２、Ｘ軸モータ５３、Ｙ軸モータ５４（図４参照）を夫々制御し、工作台１３上に保持した被削材３と主軸９に装着した工具４を相対移動して各種加工を被削材３に施す。各種加工とは、例えばドリル、タップ等を用いた穴空け加工、エンドミル、フライス等を用いた側面加工等である。

操作パネル１５は、工作機械１を覆うカバー（図示略）の外壁に設ける。操作パネル１５は入力部１５Ａと表示部１５Ｂを備える（図４参照）。入力部１５Ａは各種情報、操作指示等の入力を受け付け、数値制御装置３０に出力する。表示部１５Ｂは数値制御装置３０からの指令に基づき、各種画面を表示する。

図２、３を参照し、主軸ヘッド７の内部構造を説明する。主軸９は上下方向に延びる回転軸を有する。主軸９は主軸モータ５１の出力軸（図示略）に継手２３を介して連結する。故に主軸９は主軸モータ５１の回転駆動で回転する。主軸９は装着穴１８とホルダ挟持部材１９とドローバー８１を備える。装着穴１８は主軸９の下端部に設ける。装着穴１８は、工具４を保持する工具ホルダ１７を着脱可能に装着する。主軸９は装着穴１８の周囲の所定位置にキー２９を備え、該キー２９は工具ホルダ１７のキー溝２５と係合可能である。キー２９とキー溝２５が係合時、キー２９とキー溝２５間に間隙２４が生じる。

工具ホルダ１７は一端側に工具４を保持し、他端側にテーパ装着部１７Ａとプルスタッド１７Ｂを備える。テーパ装着部１７Ａは略円錐状である。プルスタッド１７Ｂはテーパ装着部１７Ａの頂上部から軸方向に突出する。テーパ装着部１７Ａは主軸９の装着穴１８に装着する。ホルダ挟持部材１９は主軸９の内部、且つ装着穴１８の上方に設ける。装着穴１８にテーパ装着部１７Ａを装着すると、ホルダ挟持部材１９は工具ホルダ１７のプルスタッド１７Ｂをクランプする。故に、工具４は主軸モータ５１の駆動で主軸９と共に回転する。ドローバー８１は主軸９の内部に設け、上下方向に延びる。後述のクランクレバー６０によりドローバー８１がホルダ挟持部材１９を下方に押圧すると、ホルダ挟持部材１９はプルスタッド１７Ｂのクランプを解除する。

主軸ヘッド７は後方上部の内側にクランクレバー６０を備える。クランクレバー６０は略Ｌ字型であり支軸６１を中心に揺動自在である。支軸６１は主軸ヘッド７内に固定する。クランクレバー６０は縦方向レバー６３と横方向レバー６２を備える。横方向レバー６２の先端部はドローバー８１に直交して突設したピン５８に上方から係合可能である。横方向レバー６２がピン５８を押下すると、ドローバー８１がホルダ挟持部材１９を下方に押下し、ホルダ挟持部材１９はプルスタッド１７Ｂのクランプを解除する。

図４を参照し、数値制御装置３０と工作機械１の電気的構成を説明する。数値制御装置３０と工作機械１は、ＣＰＵ３１、ＲＯＭ３２、ＲＡＭ３３、記憶装置３４、外乱オブザーバ３９、入出力部３５、駆動回路５１Ａ～５５Ａ等を備える。ＣＰＵ３１は数値制御装置３０を統括制御する。ＲＯＭ３２は、主プログラム、監視プログラムを含む各種プログラム等を記憶する。主プログラムは主処理を実行する。主処理は、ＮＣプログラムを一行ずつ読み込んで各種動作を実行する。ＮＣプログラムは各種制御指令を含む複数行で構成し、工作機械１の軸移動、工具交換等を含む。監視プログラムは、後述する工具イナーシャ監視処理（図５参照）を実行する。ＲＡＭ３３は各種情報を一時的に記憶する。記憶装置３４は不揮発性であり、ＮＣプログラム、各種情報を記憶する。ＣＰＵ３１はユーザが操作パネル１５の入力部１５Ａで入力したＮＣプログラムに加え、外部入力で読み込んだＮＣプログラム等を記憶装置３４に記憶できる。外乱オブザーバ３９は後述する。

駆動回路５１Ａは主軸モータ５１とエンコーダ５１Ｂに接続する。駆動回路５２ＡはＺ軸モータ５２とエンコーダ５２Ｂに接続する。駆動回路５３ＡはＸ軸モータ５３とエンコーダ５３Ｂに接続する。駆動回路５４ＡはＹ軸モータ５４とエンコーダ５４Ｂに接続する。駆動回路５５Ａは工具マガジン２１を駆動するマガジンモータ５５とエンコーダ５５Ｂに接続する。主軸モータ５１、Ｚ軸モータ５２、Ｘ軸モータ５３、Ｙ軸モータ５４、マガジンモータ５５は何れもサーボモータである（以下総称する場合は単にモータと呼ぶ）。

駆動回路５１Ａ～５５ＡはＣＰＵ３１から回転指令等を受け、対応する各モータ５１～５５にトルク指令に基づく駆動電流を夫々出力する。駆動回路５１Ａ～５５Ａはエンコーダ５１Ｂ～５５Ｂからフィードバック信号を受け、位置と速度等のフィードバック制御を行う。入出力部３５は駆動回路５１Ａ～５５Ａ、操作パネル１５に夫々接続する。

図５～図９を参照し、工具イナーシャ監視処理を説明する。ＣＰＵ３１は、ＮＣプログラムを解釈した際に主軸９の回転指令であると解釈時、ＲＯＭ３２から監視プログラムを読み出し、本処理を主処理と平行して実行する。工具イナーシャ監視処理を実行すると、ＣＰＵ３１は主軸９が回転開始したか否かを判断する（Ｓ１）。ＣＰＵ３１は、主軸９が回転開始したか否かを、エンコーダ５１Ｂからのフィードバック信号をサンプリングした速度フィードバック値ωｆｂ（図６参照）の変動を検知して判断する。主軸９が回転開始していないと判断時（Ｓ１：ＮＯ）、ＣＰＵ３１は、処理をＳ１に戻す。

主軸９が回転開始したと判断時（Ｓ１：ＹＥＳ）、ＣＰＵ３１は、速度フィードバック値ωｆｂに基づく主軸９の回転速度Ｒｖが回転指令の指令値に対して２０％を超えているか否かを判断する（Ｓ３）。指令値は、一分当たりの主軸９の回転数が１００００回転であるとする（図７（ａ）、図８（ａ）参照）。該時、指令値に対して２０％の回転速度Ｒｖは、一分当たり２０００回転である。主軸９の回転速度Ｒｖが指令値に対して２０％以上でないと判断時（Ｓ３：ＮＯ）、ＣＰＵ３１は、処理をＳ３に戻して待機する。主軸９の回転速度Ｒｖが指令値に対して２０％以上であると判断時（Ｓ３：ＹＥＳ）、ＣＰＵ３１は、外乱オブザーバ３９を用いて、工具４のイナーシャの推定値である推定工具イナーシャＪｍの演算を開始する（Ｓ５）。

図６を参照して、外乱オブザーバ３９による推定工具イナーシャＪｍの演算方法を説明する。外乱オブザーバ３９は、所定の周期で推定工具イナーシャＪｍの演算を継続する。推定工具イナーシャＪｍは、電流フィードバック値Ｉｆｂと速度フィードバック値ωｆｂに基づき演算する。

電流フィードバック値Ｉｆｂについて説明する。ＣＰＵ３１はＮＣプログラムの制御指令に基づき回転指令を生成し、駆動回路５１Ａに出力する。駆動回路５１Ａは回転指令に従いトルク指令値を生成し、主軸モータ５１が指令値で回転するように主軸モータ５１に出力する駆動電流を制御する。駆動回路５１Ａは、主軸モータ５１に出力したとトルク指令値に基づく駆動電流をアンプ７８により監視し、駆動電流の電流フィードバック値Ｉｆｂを取得する。

トルクモニタ特性補正器８２は、監視している電流フィードバック値Ｉｆｂの単位をＮｍへ換算する。乗算器８３は、トルクモニタ特性補正器８２で単位変換した電流フィードバック値Ｉｆｂに主軸モータ５１のトルク定数ｋｔを乗ずる。乗算器８３は、主軸モータ５１に発生した出力トルクＴｍ［Ｎｍ］を演算する。出力トルクＴｍは、トルク定数ｋｔによりばらつきを低減した状態で加算器７５に出力する。

速度フィードバック値ωｆｂについて説明する。主軸モータ５１のエンコーダ５１Ｂは、主軸モータ５１の速度フィードバック信号を駆動回路５１Ａに出力する。駆動回路５１Ａは、速度フィードバック信号をサンプリングして速度フィードバック値ωｆｂを取得する。乗算器８４は、速度フィードバック値ωｆｂに２π／（１０００×６０）を乗じ、単位をｒａｄ／ｓｅｃへ換算した角速度ｖを演算する。ローパスフィルタ８５は、角速度ｖの高周波成分を除去する。なお、アンプ７８が出力する電流フィードバック値Ｉｆｂはローパスフィルタ（図示略）で高周波成分を除去している。乗算器８７は、ローパスフィルタ８５を通過した角速度ｖに対して主軸９全体の粘性を示す粘性抵抗係数Ｃｔを乗じ、主軸９に発生した推定粘性トルクＴｃを演算する。

微分器７１は、角速度ｖを微分し、主軸９の回転時の角加速度（以下、加速度ａという。）を演算する。乗算器８８は、加速度ａに対して主軸全体の主軸イナーシャＪｔを乗じ、推定慣性トルクＴｊを演算する。加算器７３は、推定粘性トルクＴｃと推定慣性トルクＴｊを加算し、推定加減速トルクＴｅを演算する。

加算器７５は、電流フィードバック値Ｉｆｂに基づき演算した出力トルクＴｍと、速度フィードバック値ωｆｂに基づき演算した推定加減速トルクＴｅとの偏差である差分値ｄｔを演算する。工具未装着時で外乱のない状態では、推定加減速トルクＴｅと出力トルクＴｍの差分値ｄｔはゼロとなる。工具４を装着した状態では、差分値ｄｔは、工具イナーシャ分の加減速トルクによりゼロとならない。該時、主軸９が指令回転数に到達前であり加工は開始しておらず、主軸９に外乱はかかっていないものとし、差分値ｄｔはすべて工具４の推定工具イナーシャＪｍの加減速トルクであるとみなす。故に乗算器８９は、演算した差分値ｄｔに対して加速度ａで除する、即ち差分値ｄｔに対して１／ａを乗じ、工具４の推定工具イナーシャＪｍを演算する。

Ｓ５の処理で推定工具イナーシャＪｍの演算を開始すると、ＣＰＵ３１は、演算した推定工具イナーシャＪｍが、閾値Ｔｈを超えたか否かを判断する（Ｓ７）。なお、閾値Ｔｈは予めＲＯＭ３２に記憶してある。推定工具イナーシャＪｍが閾値Ｔｈを超えていないと判断時（Ｓ７：ＹＥＳ）、例えば図９（ａ）に示す工具４Ａの回転時、ＣＰＵ３１は、取り付けている工具４Ａが適切であり問題ないとして処理をＳ１３に進め、主軸９の回転速度Ｒｖが指令値に対して８０％以上となっているか否かを判断する（Ｓ１３）。例えば、回転速度Ｒｖの指令値を一分当たりの主軸９の回転数が１００００回転とした場合、指令値に対して８０％の回転数は、一分当たり８０００回転である（図７（ａ）、図８（ａ）参照）。主軸９の回転数が指令値に対して８０％よりも低いと判断時（Ｓ１３：ＮＯ）、ＣＰＵ３１は、処理を戻して、Ｓ５～Ｓ７の処理を実行する。なお、演算した推定工具イナーシャＪｍが閾値Ｔｈを超えておらず（Ｓ７：ＹＥＳ）、且つ指令値に対して８０％以上の回転速度Ｒｖとなるまで（Ｓ１３：ＹＥＳ）、ＣＰＵ３１は、所定周期で推定工具イナーシャＪｍを演算し続ける。一方、回転速度Ｒｖが指令値に対して８０％以上と判断時（Ｓ１３：ＹＥＳ）、ＣＰＵ３１は、推定工具イナーシャＪｍの演算を終了する（Ｓ１５）。該時、主軸９は指令値で回転しても問題なく回転する。ＣＰＵ３１は処理を終了する。

推定工具イナーシャＪｍが閾値Ｔｈを超えていると判断時（Ｓ７：ＮＯ）、例えば図９（ｂ）に示す工具４Ｂの回転時、ＣＰＵ３１は、工具４Ｂが許容範囲を超えているとして、表示部１５Ｂに「ＮＧ工具です」と表示し、エラーが発生したことを報知する（Ｓ９）。従って、ユーザは、許容範囲を超えた工具４Ｂを装着したことを認識でき、主軸モータ５１の出力軸と主軸９との接続位置ずれに対して対策を行うことが可能となる。

ＣＰＵ３１は主軸９の回転を時定数制御にて停止し（Ｓ１１）、処理を終了する。時定数制御とは、所定の時定数を１ｓｅｃとして、主軸９の回転速度Ｒｖを徐々に減速して停止する制御である。故に、ＣＰＵ３１は、主軸９への負荷を低減しつつ、主軸９の回転を停止できる。ＣＰＵ３１は、主軸９と、モータの回転軸との接続位置がずれるのを防止できる。

図７（ｂ）、図８（ｂ）を参照して、適切な工具４Ａの場合と不適切な工具４Ｂの場合の推定工具イナーシャＪｍの演算結果について説明する。なお、上記工具イナーシャ監視処理では、回転速度Ｒｖが指令値に対して２０％～８０％までを対象として推定工具イナーシャＪｍの演算を行っているのに対して、図７（ｂ）、図８（ｂ）の演算結果は、常時推定工具イナーシャＪｍについて演算した結果を示す。図７（ｂ）では時刻ｔ１、図８（ｂ）では時刻ｔ３において、回転速度Ｒｖが指令値に対して２０％の２０００回転となる。また、図７（ｂ）では時刻ｔ２、図８（ｂ）では時刻ｔ４において、回転速度Ｒｖが指令値に対して８０％の８０００回転となる。

図７（ｂ）に示す如く、時刻ｔ１前において、工具４Ａの推定工具イナーシャＪｍは、主軸９の回転開始と共に鋭く立ち上がっている。時刻ｔ１～ｔ２までの期間では、推定工具イナーシャＪｍは、０．００１８[ｋｇｍ^２]前後で安定している。時刻ｔ２以降の期間では、回転速度Ｒｖがフラットとなるため加速度ａがゼロに近づくので、演算結果が発散して振動している。推定工具イナーシャＪｍは、演算結果が安定している時刻ｔ１～ｔ２において閾値Ｔｈを超えない。この場合、取り付けた工具４Ａは、推定工具イナーシャＪｍが許容範囲内であり使用可能である。

図８（ｂ）に示す如く、時刻ｔ３前において、工具４Ｂの推定工具イナーシャＪｍは、主軸９の回転開始と共に鋭く立ち上がっている。時刻ｔ３～ｔ４までの期間では、推定工具イナーシャＪｍは、０．００３５[ｋｇｍ^２]前後で安定している。時刻ｔ４以降の期間では、回転速度Ｒｖがフラットとなるため加速度ａがゼロに近づくので、推定工具イナーシャＪｍは演算結果が発散して振動している。推定工具イナーシャＪｍは、演算結果が安定している時刻ｔ３～ｔ４において閾値Ｔｈを超えている。この場合、取り付けた工具４Ｂは、推定工具イナーシャＪｍが許容範囲を超えるので使用できない。以上より、回転速度Ｒｖが指令値に対して２０％～８０％の範囲（時刻ｔ１～ｔ２、時刻ｔ３～ｔ４）では、推定工具イナーシャＪｍの演算結果は安定している。故に、ＣＰＵ３１は、回転速度Ｒｖが指令値に対して２０％～８０％の範囲で推定工具イナーシャＪｍと閾値Ｔｈの大小比較を実行するのがよいと分かる。

以上説明したように、ＣＰＵ３１は、演算した出力トルクＴｍと、演算した加速度ａに基づき、工具４の推定工具イナーシャＪｍを演算する。ＣＰＵ３１は、演算した推定工具イナーシャＪｍが閾値Ｔｈを超えたか否かを判断する。ＣＰＵ３１は、推定工具イナーシャＪｍが閾値Ｔｈを超えたと判断した場合、エラーを報知する。

ユーザは、エラーの報知により、許容範囲を超えた工具４を装着したことを認識でき、主軸モータ５１の出力軸と主軸９との接続位置のずれに対して対策を行うことが可能となる。故にＣＰＵ３１は、主軸モータ５１の出力軸と主軸９との接続位置がずれる可能性を低減できる。ＣＰＵ３１は、該位置がずれた状態で、工具交換等して機械が破損してしまうことを防止できる。

ＣＰＵ３１は、演算した加速度ａと主軸イナーシャＪｔに基づき、主軸９に発生した推定慣性トルクＴｊを演算する。ＣＰＵ３１は、エンコーダ５１Ｂからの速度フィードバック値ωｆｂが示す主軸９の回転速度Ｒｖに基づき、主軸９に発生した推定粘性トルクＴｃを演算する。ＣＰＵ３１は、演算した推定慣性トルクＴｊと、演算した主軸９の推定粘性トルクＴｃに基づき、主軸９に発生したトルクの推定値である推定加減速トルクＴｅを演算する。ＣＰＵ３１は、電流フィードバック値Ｉｆｂにトルク定数ｋｔを乗じ、主軸モータ５１が出力した出力トルクＴｍを演算する。ＣＰＵ３１は、主軸モータ５１の出力トルクＴｍから主軸９の推定加減速トルクＴｅを減じた差分値ｄｔを、主軸モータ５１の加速度ａで除することにより、工具４に発生した推定工具イナーシャＪｍを演算する。ＣＰＵ３１は、演算した出力トルクＴｍから演算した推定加減速トルクＴｅを減じた差分値ｄｔを、演算した加速度ａで除することにより、推定工具イナーシャＪｍを演算できる。

ＣＰＵ３１は、所定の時定数に基づき、主軸９の回転を徐々に減速して停止する。故に、ＣＰＵ３１は、主軸９への負荷を低減しつつ、主軸９の回転を停止できる。

ＣＰＵ３１は、所定周期で推定工具イナーシャＪｍを演算する。ＣＰＵ３１は、主軸９の回転数が指令値に対して８０％の回転数に到達するまで推定工具イナーシャＪｍが閾値Ｔｈを超えたか否かを判断する。ＣＰＵ３１は、指令値に対して８０％の回転数に到達後では、推定工具イナーシャＪｍの演算誤差が大きくなる。故に、ＣＰＵ３１は、推定工具イナーシャＪｍの演算精度が高い状態で、推定工具イナーシャＪｍが閾値Ｔｈを超えたか否かを判断できる。

本発明は上記実施形態に限らず各種変形が可能である。上記実施形態の工作機械１は、工具４を装着する主軸９がＺ軸方向に移動可能であり、工作台１３がＸ軸とＹ軸方向に移動可能であるが、工作台１３に対してＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に相対的に移動する工具の移動機構の仕組みは上記実施形態に限定しない。例えば主軸はＸ、Ｙ、Ｚ軸方向の三軸に駆動するもので、工作台は固定若しくは回転可能であってもよい。

上記実施形態の工作台装置１０は工作台１３をＸ軸方向とＹ軸方向に並進可能に支持する機械装置であるが、工作台１３を回転可能に支持するようにしてもよい。上記実施形態の工作機械１は主軸９がＺ軸方向に対して平行な縦型の工作機械であるが、主軸が水平方向に延びる横型の工作機械であってもよい。上記実施形態の駆動回路５１Ａ～５５Ａは工作機械１に設けているが、駆動回路５１Ａ～５５Ａを数値制御装置３０に設けてもよい。

上記実施形態では、外乱オブザーバ３９は、数値制御装置３０に設けたがこれに限らない。例えば、外乱オブザーバ３９は、駆動回路５１Ａ内に設けてもよい。該時、ＣＰＵ３１は、駆動回路５１Ａから演算した推定工具イナーシャＪｍを演算して、閾値Ｔｈと比較してもよい。例えば、ＣＰＵ３１は、主軸９の回転指令があった時に工具イナーシャ監視処理をしたが、常時実行してもよい。ＣＰＵ３１は、回転速度Ｒｖの指令値が２０％～８０％の区間において、推定工具イナーシャＪｍの演算を行ったが、これに限らない。例えば、ＣＰＵ３１は、指令値に対して１０％～９０％までの区間で演算するなど適宜演算範囲を設定してもよい。また、ＣＰＵ３１は、常に、推定工具イナーシャＪｍの演算を実行してもよい。該時、ＣＰＵ３１は、推定工具イナーシャＪｍの演算結果が安定する区間を指定して、閾値Ｔｈとの大小を比較すればよい。

ＣＰＵ３１は、推定工具イナーシャＪｍを主軸９の回転速度Ｒｖが指令値に対して２０％～８０％の間で閾値Ｔｈとの比較を行ったが、これ以外の基準で推定工具イナーシャＪｍの演算を実行してもよい。例えば、ＣＰＵ３１は、所定範囲の時間を指定して、該時間の間に推定工具イナーシャＪｍを演算してもよい。

ＣＰＵ３１は、主軸９の回転が開始してから所定の時間が経過するまで、推定工具イナーシャＪｍが閾値Ｔｈを超えたか否かを判断してもよい。このような場合でも、ＣＰＵ３１は、演算した推定工具イナーシャＪｍが安定した範囲で閾値Ｔｈとの比較を行えば、精度よく閾値Ｔｈとの比較が可能である。故に、ＣＰＵ３１は、推定工具イナーシャＪｍの演算精度が高い状態で、推定工具イナーシャＪｍが閾値Ｔｈを超えたか否かを判断できる。

ＣＰＵ３１は、閾値Ｔｈよりも推定工具イナーシャＪｍが大きいと判断した時、所定の時定数を１ｓｅｃとした時定数制御を実行して主軸９の回転を停止したがこれに限らない。例えば、ＣＰＵ３１は、時定数を０．５、１．５秒など適宜変更してもよいし、工具に併せて設定してもよい。また、ＣＰＵ３１は、演算した推定工具イナーシャＪｍが閾値Ｔｈを超えたと判断した場合、主軸９の回転を強制的に停止してもよい。故に、ＣＰＵ３１は、主軸モータ５１の出力軸と主軸９との接続位置がずれる可能性を低減できる。なお、ＣＰＵ３１は、表示部１５Ｂに表示してユーザにエラーを報知したが、ブザーを鳴らすなどして許容範囲を超えた工具４であることをユーザに知らせてもよい。

継手２３は本発明の連結部の一例である。キー溝２５は本発明の係合部の一例である。キー２９は本発明の被係合部の一例である。ホルダ挟持部材１９は本発明のクランプ機構の一例である。アンプ７８は本発明の監視部の一例である。トルク定数ｋｔは本発明の所定の補正値の一例である。８０％は本発明の所定の割合の一例である。時刻ｔ２、ｔ４は本発明の所定の時間の一例である。乗算器８３は本発明のトルク演算部の一例である。微分器７１は本発明の加速度演算部の一例である。乗算器８９は本発明の推定工具イナーシャ演算部の一例である。乗算器８８は本発明の推定慣性トルク演算部の一例である。Ｓ７の処理を実行するＣＰＵ３１は本発明の判断部の一例である。Ｓ９の処理を実行するＣＰＵ３１は本発明の報知部の一例である。Ｓ１１の処理を実行するＣＰＵ３１は本発明の停止部の一例である。

１ 工作機械
３ 被削材
４、４Ａ、４Ｂ 工具
９ 主軸
１７ 工具ホルダ
１８ 装着穴
１９ ホルダ挟持部材
２３ 継手
２５ キー溝
２９ キー
３０ 数値制御装置
３１ ＣＰＵ
５１ 主軸モータ
５１Ｂ エンコーダ
７８ アンプ
８３、８８、８９ 乗算器
７３、７５ 加算器
ωｆｂ 速度フィードバック値
Ｊｍ 工具イナーシャ
Ｉｆｂ 電流フィードバック値
Ｒｖ 回転速度
ｖ 角速度
ａ 加速度
Ｔｍ 出力トルク
ｋｔ トルク定数
ｄｔ 差分値
Ｊｔ 主軸イナーシャ
Ｔｊ 推定慣性トルク
Ｔｃ 推定粘性トルク
Ｔｅ 推定加減速トルク
Ｔｈ 閾値

Claims (7)

1. 主軸と、
   前記主軸を駆動する主軸モータと、
   前記主軸モータの出力軸と前記主軸を連結する連結部と、
   前記主軸に設け、工具を保持する工具ホルダを着脱可能に装着する装着穴と、
   前記装着穴の周囲の前記主軸に設け、前記工具ホルダに設けた係合部が係合可能な被係合部と、
   前記主軸の内部に設け、前記装着穴に装着した前記工具ホルダをクランプするクランプ機構と
   を備えた工作機械の動作を制御する数値制御装置において、
   前記クランプ機構が前記工具ホルダをクランプした状態で、前記主軸モータが前記主軸を駆動した時、トルク指令値に基づき前記主軸モータへ供給する電流を監視する監視部が検出した電流フィードバック値に基づき、前記主軸モータに発生した出力トルクを演算するトルク演算部と、
   前記クランプ機構が前記工具ホルダをクランプした状態で、前記主軸モータが前記主軸を駆動した時、前記主軸モータに設けたエンコーダからの速度フィードバック値が示す前記主軸の回転速度に基づき、前記主軸モータの加速度を演算する加速度演算部と、
   前記トルク演算部が演算した前記出力トルクと、前記加速度演算部が演算した前記加速度に基づき、前記工具のイナーシャの推定値である推定工具イナーシャを演算する推定工具イナーシャ演算部と、
   前記推定工具イナーシャ演算部が演算した前記推定工具イナーシャが閾値を超えたか否かを判断する判断部と、
   前記判断部が前記推定工具イナーシャが前記閾値を超えたと判断した場合、エラーを報知する報知部と
   を備え、
   前記推定工具イナーシャ演算部は、所定周期で前記推定工具イナーシャを演算し、
   前記判断部は、前記主軸の回転数が指令値に対して所定の割合の回転数に到達するまで前記推定工具イナーシャが前記閾値を超えたか否かを判断する
   ことを特徴とする数値制御装置。
2. 前記加速度演算部が演算した前記加速度と主軸イナーシャに基づき、前記主軸に発生した推定慣性トルクを演算する推定慣性トルク演算部と
   前記エンコーダからの前記速度フィードバック値が示す前記主軸の前記回転速度に基づき、前記主軸に発生した推定粘性トルクを演算する推定粘性トルク演算部と、
   前記推定慣性トルク演算部により演算した前記推定慣性トルクと、前記推定粘性トルク演算部により演算した前記主軸の前記推定粘性トルクに基づき、前記主軸に発生したトルクの推定値である推定加減速トルクを演算する推定加減速トルク演算部と
   を備え、
   前記トルク演算部は、前記電流フィードバック値に所定の補正値を乗ずることで、前記主軸モータが出力した前記出力トルクを演算し、
   前記推定工具イナーシャ演算部は、前記主軸モータの前記出力トルクから前記主軸の前記推定加減速トルクを減じた差分値を、前記主軸モータの前記加速度で除して、前記推定工具イナーシャを演算する
   ことを特徴とする請求項１に記載の数値制御装置。
3. 前記判断部が前記推定工具イナーシャ演算部により演算した前記推定工具イナーシャが前記閾値を超えたと判断した場合、前記主軸の回転を停止する停止部を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の数値制御装置。
4. 前記停止部は、所定の時定数に基づき、前記主軸の回転を徐々に減速して停止する
   ことを特徴とする請求項３に記載の数値制御装置。
5. 主軸と、
   前記主軸を駆動する主軸モータと、
   前記主軸モータの出力軸と前記主軸を連結する連結部と、
   前記主軸に設け、工具を保持する工具ホルダを着脱可能に装着する装着穴と、
   前記装着穴の周囲の前記主軸に設け、前記工具ホルダに設けた係合部が係合可能な被係合部と、
   前記主軸の内部に設け、前記装着穴に装着した前記工具ホルダをクランプするクランプ機構と
   を備えた工作機械の動作を制御する数値制御装置において、
   前記クランプ機構が前記工具ホルダをクランプした状態で、前記主軸モータが前記主軸を駆動した時、トルク指令値に基づき前記主軸モータへ供給する電流を監視する監視部が検出した電流フィードバック値に基づき、前記主軸モータに発生した出力トルクを演算するトルク演算部と、
   前記クランプ機構が前記工具ホルダをクランプした状態で、前記主軸モータが前記主軸を駆動した時、前記主軸モータに設けたエンコーダからの速度フィードバック値が示す前記主軸の回転速度に基づき、前記主軸モータの加速度を演算する加速度演算部と、
   前記トルク演算部が演算した前記出力トルクと、前記加速度演算部が演算した前記加速度に基づき、前記工具のイナーシャの推定値である推定工具イナーシャを演算する推定工具イナーシャ演算部と、
   前記推定工具イナーシャ演算部が演算した前記推定工具イナーシャが閾値を超えたか否かを判断する判断部と、
   前記判断部が前記推定工具イナーシャが前記閾値を超えたと判断した場合、エラーを報知する報知部と
   を備え、
   前記推定工具イナーシャ演算部は、所定周期で前記推定工具イナーシャを演算し、
   前記判断部は、前記主軸の回転が開始してから所定の時間が経過するまで、前記推定工具イナーシャが前記閾値を超えたか否かを判断する
   ことを特徴とする数値制御装置。
6. 主軸と、
   前記主軸を駆動する主軸モータと、
   前記主軸モータの出力軸と前記主軸を連結する連結部と、
   前記主軸に設け、工具を保持する工具ホルダを着脱可能に装着する装着穴と、
   前記装着穴の周囲の前記主軸に設け、前記工具ホルダに設けた係合部が係合可能な被係合部と、
   前記主軸の内部に設け、前記装着穴に装着した前記工具ホルダをクランプするクランプ機構と
   を備えた工作機械の動作を制御する数値制御装置の制御方法において、
   前記クランプ機構が前記工具ホルダをクランプした状態で、前記主軸モータが前記主軸を駆動した時、トルク指令値に基づき前記主軸モータへ供給する電流を監視する監視部が検出した電流フィードバック値に基づき、前記主軸モータに発生した出力トルクを演算するトルク演算ステップと、
   前記クランプ機構が前記工具ホルダをクランプした状態で、前記主軸モータが前記主軸を駆動した時、前記主軸モータに設けたエンコーダからの速度フィードバック値が示す前記主軸の回転速度に基づき、前記主軸モータの加速度を演算する加速度演算ステップと、
   前記トルク演算ステップが演算した前記出力トルクと、前記加速度演算ステップが演算した前記加速度に基づき、前記工具のイナーシャの推定値である推定工具イナーシャを演算する推定工具イナーシャ演算ステップと、
   前記推定工具イナーシャ演算ステップが演算した前記推定工具イナーシャが閾値を超えたか否かを判断する判断ステップと、
   前記判断ステップが前記推定工具イナーシャが前記閾値を超えたと判断した場合、エラーを報知する報知ステップと
   を備え、
   前記推定工具イナーシャ演算ステップは、所定周期で前記推定工具イナーシャを演算し、
   前記判断ステップは、前記主軸の回転数が指令値に対して所定の割合の回転数に到達するまで前記推定工具イナーシャが前記閾値を超えたか否かを判断する
   ことを特徴とする数値制御装置の制御方法。
7. 主軸と、
   前記主軸を駆動する主軸モータと、
   前記主軸モータの出力軸と前記主軸を連結する連結部と、
   前記主軸に設け、工具を保持する工具ホルダを着脱可能に装着する装着穴と、
   前記装着穴の周囲の前記主軸に設け、前記工具ホルダに設けた係合部が係合可能な被係合部と、
   前記主軸の内部に設け、前記装着穴に装着した前記工具ホルダをクランプするクランプ機構と
   を備えた工作機械の動作を制御する数値制御装置の制御方法において、
   前記クランプ機構が前記工具ホルダをクランプした状態で、前記主軸モータが前記主軸を駆動した時、トルク指令値に基づき前記主軸モータへ供給する電流を監視する監視部が検出した電流フィードバック値に基づき、前記主軸モータに発生した出力トルクを演算するトルク演算ステップと、
   前記クランプ機構が前記工具ホルダをクランプした状態で、前記主軸モータが前記主軸を駆動した時、前記主軸モータに設けたエンコーダからの速度フィードバック値が示す前記主軸の回転速度に基づき、前記主軸モータの加速度を演算する加速度演算ステップと、
   前記トルク演算ステップが演算した前記出力トルクと、前記加速度演算ステップが演算した前記加速度に基づき、前記工具のイナーシャの推定値である推定工具イナーシャを演算する推定工具イナーシャ演算ステップと、
   前記推定工具イナーシャ演算ステップが演算した前記推定工具イナーシャが閾値を超えたか否かを判断する判断ステップと、
   前記判断ステップが前記推定工具イナーシャが前記閾値を超えたと判断した場合、エラーを報知する報知ステップと
   を備え、
   前記推定工具イナーシャ演算ステップは、所定周期で前記推定工具イナーシャを演算し、
   前記判断ステップは、前記主軸の回転が開始してから所定の時間が経過するまで、前記推定工具イナーシャが前記閾値を超えたか否かを判断する
   ことを特徴とする数値制御装置の制御方法。

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