JP7343365B2 - タレット最適化システム - Google Patents

Description

本発明は、複数の工具を搭載した刃物台の回転速度を自動調整するタレット最適化システムに関する。

ＮＣ旋盤などの工作機械では、下記特許文献１に示すように、回転するワークに工具を当てることによって切削加工（旋削）が行われるが、その切削加工にはワークの外径加工や内径加工、或いは穴あけ加工やねじ切り加工などがあり、それぞれの加工に応じた工具が使用される。そこで工作機械には、エンドミルやドリルなどの回転工具、或いはバイトなどの切削工具を保持して旋回割出しするタレット装置が設けられている。そのタレット装置は、中心を回転軸とした多角形状の刃物台を有し、各辺に設けられた着脱部に工具が取り付けられるようになっている。旋回割出しでは刃物台が中心軸回りに所定角度回転することにより、使用する工具が加工対応位置に位置決めされる。

特開２０１８－２０２５６０号公報 特開２００２－３２３９１５号公報

タレット装置は、前述したように複数の工具が取り付けられ、旋回割出しにあたって回転し、所定の工具が加工場所に位置決めされる。その際、刃物台の回転には工具の重さも加わるため、複数の工具の取り付け位置によって重量バランスが悪くなってしまうことがある。例えば、サイクルタイムを優先するため、工具ごとの重さを考慮することなく、加工順に工具を配置するからである。また、工具の大きさによっては他の工具における加工時にワークと干渉してしまうため、そうした干渉を避けるように配置することがあるからである。

タレット装置には、サイクルタイムを短縮させるため、旋回割出しに要する時間の短縮が求められているが、その時間短縮は刃物台の回転速度を上げることによって実現される。しかし、前述したように工具の重量バランスが悪い場合には、旋回割出しされた工具に対する停止位置の精度が低下してしまうことがある。特に、刃物台の回転軸が水平方向の横向き構造の場合には、停止の際に慣性力だけではなく重力も作用することにより、さらに停止精度を悪化させてしまう。そのためこれまでのタレット装置は、停止精度を優先させるため、回転速度を十分に上げることができなかった。

そこで、本発明は、かかる課題を解決すべく、刃物台の回転速度を自動調整するタレット最適化システムを提供することを目的とする。

本発明に係るタレット最適化システムは、複数の工具が着脱可能な刃物台をサーボモータによって回転させる旋回割出しを実行するタレット装置と、前記サーボモータの回転を制御する制御装置とを有し、前記制御装置は、前記刃物台を所定の角度回転させた後に停止させる回転運動を、前記サーボモータの回転速度を段階的に上げて繰り返し行い、前記回転運動毎に前記サーボモータに流れる電流の値を基に回転速度の適否を判定し、その結果に従い前記サーボモータに対する旋回割出し時の回転速度を設定する速度制御設定部が格納され、前記速度制御設定部は、段階的に回転速度を上げて行われる前記回転運動毎に、最初に現れるピークでの電流値を基に回転速度の適否を判定し、前記サーボモータに対する旋回割出し時の回転速度を設定するものである。

前記構成によれば、工具が任意に配置された刃物台に対し、速度制限設定部によってサーボモータの回転速度を段階的に上げた回転運動を繰り返し行い、そのときサーボモータに流れる電流の値を基に回転速度の適否を判定し、旋回割出し時のサーボモータに対する回転速度を設定するようにしたため、複数の工具が取り付けられた刃物台の状況に応じて最適な回転速度での旋回割出しが可能になる。

タレット装置の主要部を示した正面図である。 タレット装置を備えた工作機械の制御システムを表すブロック図である。 サーボモータの回転速度、回転角度及び電流値のグラフを示した図である。 速度制御設定のフローチャートを示した図である。 繰り返し行われる回転運動時のサーボモータの速度変化を示した図である。 ベルト監視処理を示したフローチャートである。

本発明に係るタレット最適化システムの一実施形態について、図面を参照しながら以下に説明する。図１は、タレット装置の主要部を示した正面図である。タレット装置１は、正面形状が１０角形の刃物台２を有し、その刃物台２が中心線を水平方向（図面を貫く方向）にした回転軸をもって構成されている。刃物台２は、１０角形の各辺に各種工具の取り付けが可能な工具保持部が形成され、エンドミルやドリルなどの回転工具あるいはバイトなどの切削工具（以下、まとめて単に「工具）という）３が、工具ホルダ４を介して着脱可能な状態で取付けられるようになっている。

タレット装置１は、回転自在な刃物台２に対して回転を与えるサーボモータ５を有し、刃物台２にはサーボモータ５からの回転出力を伝達するギヤ列などからなる伝達機構が設けられている。そして、サーボモータ５の回転軸に固定されたプーリと、伝達機構側に設けられたプーリとの間にはベルト６が掛け渡されている。サーボモータ５にはロータリエンコーダ２１（図２参照）が設けられ、出力する回転の位置や速度などの検出が可能になっている。よって、タレット装置１では、ロータリエンコー２１ダからの検出信号に基づいて、サーボモータ５（刃物台２）の回転角度や回転速度の制御が行われるようになっている。

図２は、タレット装置１を備えた工作機械の制御システムを表すブロック図である。制御装置１０は、ＣＰＵ１１のほかにＲＯＭ１２やＲＡＭ１３、不揮発性メモリ１４といった記憶装置などを備えたコンピュータを主体とするものであり、Ｉ／０１５を介してタレット装置１やそのタレット装置１を加工軸に沿って移動させる駆動装置１６が接続されている。また、制御装置１０は、作業者によるデータ入力および、操作画面や検出データなどの表示が可能なタッチパネル式の操作表示装置１７なども接続されている。そして、制御装置１０には、各種加工に関する加工プログラムやワークの種類、工具や治具に関するワーク加工情報などが記憶部に格納され、特に刃物台２の回転速度を調整する速度設定プログラム１４１が不揮発性メモリ１４に格納されている。

タレット装置１は、外径加工や内径加工、穴あけ加工などの各種加工に対応できるように、異なる複数の工具３が刃物台２に取り付けられている。そのため、工作機械におけるワーク加工時には、タレット装置１の駆動制御により、複数の工具３の中からワーク加工に該当する工具３が旋回割出しによって選択される。その旋回割出しは、サーボモータ５の回転制御により、回転出力がベルト６から伝達機構へと伝えられ、刃物台２が所定の角度だけ所定方向に回転する。そして、旋回割出しされた工具３は、駆動装置１６の制御によってタレット装置１ごと加工軸方向に移動し、ワークに工具３が当てられて所定の加工が行われる。

こうした工作機械で行われるワーク加工にはサイクルタイムの短縮が求められ、そのため工具３の旋回割出しでの時間短縮も求められている。しかし、前述したように刃物台２へ搭載した複数の工具３の重量バランスが悪い場合に高速回転させてしまうと、旋回割出し時の停止精度を低下させてしまうことが問題であった。この点、本実施形態は、サーボモータ５の回転速度を十分に上げた旋回割出しにより、工具３を正確な位置に停止させるための駆動制御を可能にしている。

制御装置１０に格納された速度設定プログラム１４１は、複数の工具３を保持した刃物台２の状況に適したサーボモータ５の速度制御設定を行うものである。具体的には、サーボモータ５の回転速度を徐々に上げながら適否を判定し、刃物台２の回転停止時の正確な位置決めができる回転速度を求めて設定するものである。そこで先ず、図１において矢印で示すように、刃物台２には時計方向と半時計方向との回転運動が交互に与えられる。そして、所定角度で往復するその回転運動が徐々に速度を上げながら繰り返し行われ、各回の回転運動時に生じる負荷トルクの値が求められる。

サーボモータ５は、図２に示すように回転速度と回転角度を検出するロータリエンコーダ２１が設けられ、その検出信号がサーボドライバ２５へと送信されるようになっている。タレット最適化プログラム１４１では、制御装置１０からの速度指令に従い、サーボモータ５の回転速度を一定の開始速度から段階的に上げて行う速度制御設定が実行されるようになっている。ここで、図３は、速度制御設定時におけるサーボモータ５の回転速度と回転角度そして電流値（トルク値）のグラフを示した図である。なお、このグラフでは、本来繰り返し行われる刃物台２を揺動させた回転運動のうち一往復分だけが示されている。

速度設定プログラム１４１の速度制御設定は、操作表示装置１７からの開始操作や、ワーク加工開始時などの所定のタイミングで行われるようになっている。つまり、刃物台２に対する所定の工具３の取り付けや取り外し、或いは工具３の交換によって刃物台２における重量バランスが変化した際に行われる。ここで、図４は、速度設定プログラム１４１において実行される速度制御設定処理のフローチャートを示した図である。

先ず、速度制御設定処理の開始によってタレット装置１のサーボモータ５に回転が与えられるが（Ｓ１０１）、その刃物台２における第１回転運動時は、サーボモータ５の目標回転速度が、例えば低速の毎分５００回転に設定されている。サーボモータ５は、図３に示すグラフのように、制御装置１０からの速度指令に従ってｔ１時から加速し、目標の回転速度に達した後に停止のため減速に切り換えられる。そして、目標の回転角度に位置決めするようにしてｔ２時に回転が停止する。このとき刃物台２は、図１において時計回りに回転し、図３に示すＡ角度からＢ角度へと７０度の回転変位した位置で停止する。

その後、サーボモータ５には同じ回転速度でｔ３時にＢ角度から反時計回りに回転し、ｔ４時には目標とするＡ角度の位置で停止する。このような刃物台２の１回の回転運動（ｔ１からｔ４）は約１．５秒程度で行われるが、その間ロータリエンコーダ２１によって回転速度と回転角度が検出され、検出信号がサーボドライバ２５へと送信される。サーボドライバ２５では、ロータリエンコーダ２１の検出信号と制御装置１０からの目標値とが比較され、サーボモータ５を目標とする速度と角度にする回転が行われる。このときサーボモータ５に加わる負荷トルクが速度変化によって大きくなり、サーボモータ５に流れる電流値も大きくなる。サーボモータ５に流れる電流値は電流センサ２３によって逐次計測され制御装置へと送信される。

刃物台２の回転速度を高めることによって、サーボモータ５における加速時および減速時の負荷トルクが大きくなるが、この負荷トルクが過大になることによって旋回割出し時の停止精度が低下してしまう。こうした負荷トルクは、その大きさが概ね電流値に比例する。そこで、速度制御設定処理では、刃物台２の回転運動時に発生する電流値に基づいて、サーボモータ５の適切な回転速度が求められる。前述した刃物台２の回転運動が行われた場合、図３に示す電流値（トルク値）の変化には、サーボモータ５の回り始めのｔ１直後に１回目のピークｐ１が現れる。速度制御設定処理では、このピークｐ１に対応する電流値が閾値と比較される（Ｓ１０２）。ピークｐ１時の電流値の大きさは負荷トルクの大きさを表しており、制御位置の誤差過大が生じる目安となるからである。

図３に示すこの電流値は、定格電流値を連続電流値で除算したものであってパーセントで表されており、本実施形態での閾値は試験結果から１２０パーセントに設定されている。そこで、ピークｐ１の電流値（以下、「判定電流値」という）が閾値を超えるような場合は（Ｓ１０２：ＮＯ）、加減速時の負荷トルクが大きくなり過ぎて正確な停止が行えないと判定され（Ｓ１０３）、操作表示装置１７に異常判定結果が表示される。これを確認した作業者は刃物台２の工具３について配置換えを行い、その後改めてサーボモータ５の速度制御設定処理が行われる。

一方、判定電流値が閾値以下の場合は（Ｓ１０２：ＹＥＳ）、サーボモータ５の回転速度を更に上げることができるため、サーボモータ５の回転速度を上げた刃物台２の第２回転運動が連続して行われる（Ｓ１０４）。そして、同じくピークｐ１時の判定電流値が閾値と比較される（Ｓ１０５）。判定電流値が閾値に達していない場合には（Ｓ１０５：ＮＯ）、更にサーボモータ５の回転速度を上げた刃物台２の第３回転運動が連続して行われる（Ｓ１０４）。判定電流値が閾値に達するまでは（Ｓ１０５：ＮＯ）、図５に示すように、ステップＳ１０４のサーボモータ５の回転速度（ＲＳ１，ＲＳ２…）を段階的に上げた回転運動が繰り返し行われる。

速度制御設定処理ではサーボモータ５の回転速度ＲＳ１が毎分５００回転から始まるが、そうした刃物台２の回転運動は、ステップＳ１０４におけるサーボモータ５の回転速度上昇率が小さければ、回転運動の繰り返し回数が多くなり設定までの時間が長くなる。逆に上昇率が大きい場合には最後に判定した際の電流値が閾値を大きく超えてしまい、その結果、設定回転速度が大きくなりすぎてしまうおそれがある。そこで、本実施形態では、第２回転運動時の回転速度ＲＳ２を毎分６００回転に上げ、第１及び第２回転運動時に得られた判定電流値ＪＣ１，ＪＣ２から、次の判定電流値ＪＣ３が判定電流値ＪＣ２と適切な間隔で生じるように第３回転運動時の回転速度が算出される。

すなわち、３回目以降の第ｎ回転運動（ｎは任意の整数）では、第ｎ－２回転運動時および第ｎ－１回転運動時において得られた判定電流値ＪＣｎ－２から判定電流値ＪＣｎ－１までの上昇率と、判定電流値ＪＣｎ－１から閾値までの差を基に、数回程度で判定電流値が閾値に達するように回転速度ＲＳｎが算出される。例えば、判定電流値ＪＣｎ－１から閾値プラス１０パーセント（ここでは１３０パーセント）までの差が半分になる程度にまで上昇する回転速度を算出する。

そこで、刃物台２に対する何回目かの回転運動にて判定電流値が閾値に達するため（Ｓ１０５：ＹＥＳ）、その回の回転運動で速度制御設定処理を終了するようにサーボモータ５の回転が停止される（Ｓ１０６）。そして、判定電流値が閾値に達した時、その回転速度でサーボモータ５を駆動させるためのパラメータが設定される（Ｓ１０７）。こうして速度制御設定が行われた工作機械では、タレット装置１の旋回割出しにおいて、設定されたパラメータに従った回転速度のサーボモータ５の駆動制御が行われ、刃物台２が可能な速度で高速回転しつつ工具３の正確な位置決め停止が行われる。

従って、工具３を段取り替えした刃物台２の重量バランスが悪くなってしまった場合でも、複数の工具３が取り付けられた刃物台２の状況に応じて最適な回転速度での旋回割出しが可能になる。また、従来は回転速度の設定が作業者の経験などに基づいて行われていたが、そうした個人差によって生じるバラツキをなくしたサイクルタイムの短縮が可能になる。加えて、回転速度の設定ミスにより作業をやり直すようなこともなくなる。さらに、速度設定プログラム１４１では、繰り返し行われる回転運動における回転速度の上昇を逐次算出して決定するため、設定までの繰り返しを適切な回数にすることができ、短時間で確実に旋回割出し時の回転速度を設定することが可能になる。

ところで、タレット装置１は、サーボモータ５の回転を刃物台２へと伝達するベルト６が劣化などによって切れてしまうことがある。そのため、従来はリミットスイッチを設置してベルト６の切断状況が監視されていた。この点について本実施形態では電流値を監視することにより、ベルト６の切断状況を判断する構成が採られ、制御装置１０の不揮発性メモリ１４にベルト監視プログラム１４２が格納されている。図６は、そのベルト監視プログラム１４２において実行されるベルト監視処理を示したフローチャートである。

タレット装置１は、旋回割出し時にサーボモータ５の駆動制御により所定速度の回転を発生し、その回転がベルト６を介して伝達機構へと伝えられ、刃物台２が所定角度回転する。ベルト監視処理では、サーボモータ５が回転すると（Ｓ２０１）、そのサーボモータ５に流れる電流に基づいて負荷トルクが監視される。前述したように負荷トルクの大きさは概ね電流値に比例するため、サーボモータ５が回転を出力している間の電流値（これを「確認電流値」という）について、所定の閾値以下にまで下降したか否かについて確認が行われる（Ｓ２０２）。

旋回割出し中に確認電流値が閾値以下になったことを確認した場合には（Ｓ２０２：ＹＥＳ）、負荷トルクの急激な低下によりベルト６が切れたと判断される（Ｓ２０３）。そして、操作表示装置１７にはベルト切断が表示されてシグナルタワーなどの警報装置よって作業者に異常が知らされる他、工作機械の駆動停止が行われる。一方、旋回割出し中の確認電流値が閾値を超えていれば（Ｓ２０２：ＮＯ）、サーボモータ５にはベルト６を介して負荷トルクが作用しているため、回転停止指令が出るまでそのまま回転制御が継続される（Ｓ２０４）。

よって、これまではベルト６の監視にリミットスイッチの取り付けや調整作業が行われていたが、本実施形態ではそうした必要がなくなり確実にベルト６の異常を確認することができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
例えば、前記実施形態の速度制御設定処理では刃物台２を揺動させた回転運動を繰り返し行う中で回転速度を上げていったが、所定回転角ずつ一方向に回転させるようにして回転速度を上昇させるようにしてもよい。

１…タレット装置 ２…刃物台 ３…工具 ５…サーボモータ ６…ベルト １０…制御装置 ２１…ロータリエンコーダ ２３…電流センサ ２５…サーボドライバ

Claims (3)

1. 複数の工具が着脱可能な刃物台をサーボモータによって回転させる旋回割出しを実行するタレット装置と、
   前記サーボモータの回転を制御する制御装置とを有し、
   前記制御装置は、前記刃物台を所定の角度回転させた後に停止させる回転運動を、前記サーボモータの回転速度を段階的に上げて繰り返し行い、前記回転運動毎に前記サーボモータに流れる電流の値を基に回転速度の適否を判定し、その結果に従い前記サーボモータに対する旋回割出し時の回転速度を設定する速度制御設定部が格納され、前記速度制御設定部は、段階的に回転速度を上げて行われる前記回転運動毎に、最初に現れるピークでの電流値を基に回転速度の適否を判定し、前記サーボモータに対する旋回割出し時の回転速度を設定するタレット最適化システム。
2. 前記制御装置の速度制御設定部は、最初に現れるピークでの電流値が所定の閾値を超えた時の回転速度を、前記サーボモータに対する旋回割出し時の回転速度として設定する請求項１に記載のタレット最適化システム。
3. 前記制御装置の速度制御設定部は、前記回転運動において段階的に上昇する回転速度を、直前に行われた２回分の回転運動時にて得られた電流値を基に算出して決定する請求項１または請求項２に記載のタレット最適化システム。

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